La réaction horloge

La réaction horloge
Introduction - Les réactions chimiques sont affectées par des changements dans la concentration
des réactifs, des changements de température et par l'ajout d'un catalyseur. Selon la théorie des
collisions, ces facteurs auront tous un effet sur la façon dont les particules des réactifs entrent en
collision.
Dans cette expérience, vous étudierez la façon dont la concentration des réactifs, la température
et l'addition d'un catalyseur influent sur la vitesse d'une réaction.
Dans la partie 1, vous ferez varier la concentration des deux substances réactives. Dans la partie
II, vous ferez varier la température. Dans la partie III, vous étudierez les effets de l'ajout d'un
catalyseur. Afin d'étudier l'effet d'une variable, vous laisserez constantes les autres variables.
La réaction à étudier fait appel à trois solutions différentes, décrites ci-dessous :
Solution A - iodure de potassium 0,20 M, KI, source de ISolution B - thiosulfate de sodium 0,0050 M, Na2S2O3, source de S2O32-.
Solution C - persulfate d'ammonium 0,10 M, (NH4)2 S2O8, source de S2O8,2Nous nous intéressons à la réaction entre les ions d'iodure, I-, et les ions de persulfate, S2O8,2-,
telle qu'elle est représentée dans l'équation (1).
2 II2
+
+
S2O8,22 S2O3
º
I2
2- º
+
-
2I
2 SO4 2+
S4O6
(lent)
2-
(1)
(rapide ) (2)
Dans la réaction (1), de l'iodure se forme. Celle-ci réagit alors avec le thiosulfate (de la solution
B) dans la réaction (2). Comme la réaction (2) est rapide, l'iodure s'épuise aussi vite qu'il est
produit. Aussitôt que tout le thiosulfate a été utilisé, l'iodure réagit avec l'amidon (présent dans la
solution B) pour former une substance de couleur bleue. Cela indique que la réaction est
terminée.
Pour tous les mélanges, on maintient constante la concentration de S2O32-. On utilise 10 ml de
Na2S2O3 0,0050 M ou
5 x 10-5 moles de S2O32- .
On peut mesurer le taux de réaction en fonction du temps nécessaire pour consumer une quantité
fixe de S2O32-. Le temps de réaction variera en fonction de la dilution des concentrations des
solutions A et C dans la partie I. Dans les parties II et III, les concentrations de solution restent
constantes, mais le temps de réaction varie en fonction des changements de température et par
l'ajout d'un catalyseur.
Partie 1 - Effet de la concentration.
Marche à suivre : les mélanges sont donnés dans le tableau ci-dessous :
Mélange
Solution A (ml)
Solution B
Solution C
1
20,0
10,0
20,0
2
15,0 + 5,0 d'eau
10,0
20,0
3
10,0 + 10,0 d'eau
10,0
20,0
4
5,0 + 15,0 d'eau
10,0
20,0
5
20,0
10,0
15,0 + 5,0 d'eau
6
20,0
10,0
10,0 + 10,0 d'eau
7
20,0
10,0
5,0 + 15,0 d'eau
1.
Ajoutez la solution B aux béchers.
2.
Au temps zéro, ajoutez simultanément les solutions A et C au bécher, puis mélangez
soigneusement.
3.
Utilisez un chronomètre pour enregistrer le temps écoulé jusqu'à ce que le mélange
bleuisse.
4.
Recommencez avec le premier mélange jusqu'à ce que le temps de réaction soit inférieur
à 3 secondes.
5.
Faites les autres mélanges en suivant les directives du professeur.
Partie II : Effet de la température
Marche à suivre
Dans la partie II, on fait 5 combinaisons des solutions A, B et C, puis on les fait réagir à
différentes fourchettes de température.
1.
Remplissez un tube à essai avec les volumes de solutions indiquées dans le tableau 2 (cidessous) selon le numéro de mélange assigné.
Tableau 2
(Tous les volumes sont donnés en ml)
Mélange
Solution A
Source de I1-
Solution B
Source de S2O32-
Solution C
Source de S2O82-
8
20,0
10,0
20,0
Fourchette de
température
en oC
0 - 10
9
20,0
10,0
20,0
10-20
10
20,0
10,0
20,0
20-30
11
20,0
10,0
20,0
30-40
12
20,0
10,0
20,0
40-50
1.
Mettez les tubes à essai en suspension dans des bains d'eau appropriés pendant cinq
minutes afin d'atteindre un équilibre thermal.
2.
Placez la solution B dans un bécher.
3.
Ajoutez les solutions A et C, mélangez et laissez reposer jusqu'à l'apparition d'une
couleur bleue.
4.
Faites les autres mélanges selon les directives du professeur
Partie III : Effet d'un catalyseur
Marche à suivre :
1.
Pour les mélanges 13-17, reprenez la procédure de la partie II, mais en ajoutant 4 gouttes
de CuSO4 0,010 M à la solution C.
2.
Enregistrez les temps de réaction pour les mélanges assignés par le professeur.
Chaque mélange devrait avoir 20 ml de solution A (I1-), 10 ml de solution B (S2O32-), et
20 ml de solution C (S2O82-) + 4 gouttes de CuSO4.
Tableau 3
Mélange
13
Fourchette de
température en oC
0 - 10
14
10-20
15
20-30
16
30-40
17
40-50
Notes pour l'enseignant :
Matériel nécessaire par groupe de deux élèves :
2 tubes à essai gradués de 25 ml
1 tube à essai gradué de 10 ml
1 agitateur
1 thermomètre
1 bécher de 100 ml
1 chronomètre
Solution A :
Iodure de potassium 0,20 M (KI)
solution de 33,20 grammes de KI/l + solution de 10 ml d'amidon à 3 % /l de KI
Solution B:
Thiosulfate de sodium 0,0050 .M (Na2S2O3)
Solution de 1,24 g de Na2S2O3 5H20/l
Solution C:
Péroxodisulfate d'ammonium 0,10 M
Solution de 22,80 g de (NH4)2 S2O8/l
Catalyseur :
Sulfate de cuivre 0,010 M .
Solution de 2,50 g de CuSO4 5H2O/l
Solutions nécessaires pour une classe de 30 élèves :
2 l de solutions A et C
1 l de solution B
Solution à 3 % d'amidon : ajouter une petite quantité d'eau à 3 grammes d'amidon soluble pour
obtenir une pâte. Versez la pâte dans 100 ml d'eau bouillante. Dissoudre en mélangeant. Ajoutez
10 ml d'amidon/l de KI 0,20 M
Demandez à des groupes de deux élèves de faire les 3 mélanges des parties II et III. Pour le
traitement des données, utilisez la moyenne de temps de tous les étudiants pour chacun des
mélanges.
Études des taux de réaction (réaction horloge)
Calculs :
1. Tableau des données
Mélange
1
2
3
4
5
6
7
8
9
10
11
12
13
14
15
16
17
Vol. Solution A
KI 0,20 M
[I1-]
Vol. Solution C
(NH4)2 S2O8 0,10 M
[S2O8-2 ]
Durée
(sec)
2. Utilisez l'équation nº 2 pour déterminer les moles de I2 qui réagiront avec 10 ml de Na2 S2O3
0,0050 M.
a.
Moles de S2O32- dans 10 ml de Na2 S2O3 0,0050 M
b.
I2
+
2 S2O3 2-
º
2I 1-
+
S4O6-2
3. Dessinez la courbe des moles de concentration initiale I1- (mélanges 1 à 4) par rapport au
temps écoulé.
[ I1-]
Temps (sec)
4. Dessinez la courbe de concentration initiale de S2O82- en moles/l (mélanges : 1, 5, 6, 7)
[S2O82-]
Temps (sec)
5. Comment un changement de la concentration affecte-t-il le temps de réaction?
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______________________________________________________________________________
______________________________________________________________________________
______________________________________________________________________________
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6. Dessinez la courbe de la température des mélanges par rapport au temps écoulé pour les
mélanges 8 à 12.
Temp
(oC)
Temps (sec)
7. Comment une augmentation de température affecte-t-elle le taux de réaction?
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______________________________________________________________________________
______________________________________________________________________________
______________________________________________________________________________
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8. Comment un changement de température de 10 oC affecte-t-il le temps de réaction?
Temps de réaction
=
30-40oC
=
Temps de réaction
20-30oC
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______________________________________________________________________________
______________________________________________________________________________
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9. Sur le graphe de la question 6, dessinez la courbe de la température par rapport au temps de
réaction catalysée. Utilisez les données temps-température pour les mélanges 13 à 17. Qualifiez
cette courbe « catalysée » et l'autre « non catalysée » (de la partie II)
10. Comment un catalyseur affecte-t-il le taux de réaction?
13. Quelle généralisation pouvez-vous tirer de la comparaison entre les deux courbes?
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11. Combien de moles de S2O8 2- ne sont pas utilisés si tout le I 1- du mélange 3 est totalement
transformé en I2?