Exercices  - biochimie - la catalyse homogène , Exercices de Biochimie
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Melissa_s28 April 2014

Exercices - biochimie - la catalyse homogène , Exercices de Biochimie

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Exercices de biochimie à propos de la catalyse homogène. Les principaux thèmes abordés sont les suivants: Étude cinétique de la transformation chimique, Catalyse homogène, Rôle du catalyseur.
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La Catalyse homogène

2004 Réunion Exercice 3 : La catalyse homogène ( 4 points)

L'eau oxygénée est un antiseptique c'est à dire une substance qui, par oxydation, prévient l'infection

des tissus vivants en détruisant les micro-organismes. Elle contient des molécules d'eau oxygénée,

H2O2, qui sont capables d'oxyder les ions tartrate de formule chimique, C4H4O62–. L'équation

chimique modélisant la réaction chimique qui a lieu entre ces deux entités chimiques est :

5 H2O2(aq) + 2 H3O+(aq) + C4H4O62–(aq) = 10 H2O( l ) + 4 CO2 (g)

Dans tout l'exercice, elle sera considérée comme totale.

Afin de réaliser la transformation chimique correspondante, on mélange une solution d'eau oxygénée

de concentration c1, de volume V1 avec une solution de sel de Seignette contenant les ions tartrate

de concentration c2 et de volume V2, à la température de 20°C. Le mélange réactionnel est ensuite

légèrement acidifié. On supposera que la transformation chimique a lieu à volume constant.

La durée de cette transformation chimique est de l'ordre de plusieurs semaines.

I. Étude cinétique de la transformation chimique

I.1. Tableau descriptif de l'évolution du système chimique

I.1. a. Un élève a obtenu le tableau descriptif d'évolution du système chimique suivant avec

n1 < 5 n2 :

Equation chimique

5 H2O2(aq) + C4H4O62-(aq) + 2 H3O+(aq) = 10 H2O(l ) + 4 CO2 (g)

Avancement

(mol) Quantités de matière (en mol)

Etat initial 0 n1 n2 excès excès 0

Etat intermédiaire

x n1 – x n2 – x excès excès 4x

Etat final xmax = n1 0 n2 – n1 excès excès 4 n1

Des erreurs se sont glissées dans ce tableau. Quelles sont- elles ?

I.1.b. Pourquoi le milieu doit- il être légèrement acidifié ?

I.1.c. Donner l'allure de la courbe représentant la concentration en eau oxygénée en

fonction du temps. Justifier votre choix.

I. 2. Étude de la vitesse volumique de réaction

I.2.a. Définir la vitesse volumique v de la réaction en fonction de l'avancement x.

I.2. b. Montrer que l'expression de cette vitesse volumique, v, en fonction de la concentration

en eau oxygénée [H2O2] est : v = – dt

]Od[H

5

1 22 .

I.2. c. Comment cette vitesse évolue-t-elle au cours du temps ? Justifier graphiquement sans

calcul. Pourquoi subit-elle une telle évolution ?

II Catalyse homogène

La réaction chimique précédente est extrêmement lente. Pour pouvoir réaliser l'oxydation des ions tartrate

par l'eau oxygénée de façon plus rapide, on peut la catalyser par les ions cobalt II, Co2+ qui donnent une

couleur rosé aux solutions.

Ce catalyseur permet aux réactifs (molécule d'eau oxygénée et ion tartrate) de parvenir aux produits

par un chemin énergétiquement moins exigeant. Ce chemin peut être modélisé par deux réactions

chimiques rapides dont les équations sont :

5 H2O2(aq) + 10 H3O+(aq ) + 10 Co2+(aq) = 20 H2O(l) + 10 Co3+(aq) ( R1 )

C4H4O62–(aq) +10 Co3+(aq) + 10 H2O(l) = 4 CO2 (g) + 8 H3O+(aq) + 10 Co2+(aq) ( R2 )

En fait les ions cobalt II et cobalt III agissent sous forme d'un complexe tartrique non représenté ici.

Le mélange réactionnel étudié comporte 60 mL d'une solution de sel de Seignette (contenant les ions

tartrate) à 0,2 mol.L-1, 10 mL d'une solution d'eau oxygénée à 11 mol.L-1 et 5,0 mL d'une solution de

chlorure de cobalt II à 0,15 mol.L-1.

L'évolution temporelle de la concentration en ions cobalt III, Co3+(aq) présents dans le mélange

réactionnel précédent est représentée sur la courbe suivante :

Donnée :

• Les ions cobalt III, Co3+ donnent une couleur verte aux solutions.

II.1. Étude de la courbe 1

II.1.a. Quelle est la méthode physique la plus adaptée pour le suivi temporel de la

concentration en ions cobalt III Co3+(aq) présents dans le mélange réactionnel ? Justifier.

II.1.b. Dans les zones 2 et 4, le mélange réactionnel a une couleur verdâtre. Quelle est la

couleur du mélange réactionnel dans les zones 1, 3 et 5 ? Justifier.

II.1.c. Parmi les réactions chimiques proposées (R1 et R2) quelle est celle qui a lieu dans la

zone 2 ? Dans la zone 3 ? Dans la zone 4 ? Justifier vos choix.

II.2.Vitesse de réaction

Exposer succinctement la méthode permettant de déterminer la vitesse volumique de réaction,

v, à un instant t3 (t3 > t2 ) à partir de la courbe 1, sachant que v = – dt

]d[Co .

10

1 3 (la valeur de v

n'est pas demandée)

II.3. Rôle du catalyseur

II.3.a. Une des propriétés du catalyseur est qu'il ne doit pas figurer dans l'équation chimique de la

réaction d'oxydation des ions tartrate par l'eau oxygénée. Comment la courbe 1

met-elle en évidence cette propriété ?

II.3.b. La quantité de matière finale de dioxyde de carbone obtenu est-elle plus grande, plus

petite, inchangée avec la présence du catalyseur ? Justifier.

II.3.c. Pourquoi peut-on parler de catalyse homogène ?

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