Exercitations de physique des dispositifs sur la cinétique chimique et lumière - correction, Exercices de Chimie Physique
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Eleonore_sa7 May 2014

Exercitations de physique des dispositifs sur la cinétique chimique et lumière - correction, Exercices de Chimie Physique

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Exercitations de physique des dispositifs sur la cinétique chimique et lumière - correction.Les principaux thèmes abordés sont les suivants:Étude spectrophotométrique d'une réaction chimique.Étude de la lumière utilisée...
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EXERCICE I Cinétique chimique et lumière 7pts

Amérique du Sud 2007 - EXERCICE II. Cinétique chimique et lumière (7 points) Correction

1. Étude spectrophotométrique d'une réaction chimique. 1.1. Les transformations mettant en jeu une espèce chimique colorée peuvent être suivies par spectrophotométrie. C'est le cas de la transformation étudiée :

H2O2 (aq) + 2 I – (aq) + 2 H+(aq) = 2 H2O (l ) + I2(aq). pour laquelle seul lediiode I2 est coloré.

Le spectrophotomètre mesure la valeur de l'absorbance A(t) de la solution colorée au cours du temps, pour

une longueur d'onde  donnée . Or la loi de Beer-Lambert indique que l'absorbance est proportionnelle à la

concentration de l'espèce colorée, soit ici A(t) = k . [I2](t)

Après un étalonnage du spectrophotomètre, la mesure de A(t) permet de connaître [I2](t) et donc de suivre l'évolution temporelle de la transformation chimique. 1.2. Tableau d'avancement

Équation de la réaction 2 2H O (aq) + 2 I – (aq) + +2H (aq) = 22 H O ( ) + 2I (aq)

État du

système

Avancement

en mol Quantité de matière en mol

État initial 0 2,5  10 –4 1,5  10 –3 excèsexcès0

État final xf 2,5 10 –4 – xf 1,510 –3 – 2xf excèsexcèsxf

1.3. Lorsque la valeur de l’avancement n’évolue plus, l’état final est atteint. Graphiquement la valeur de

l'avancement final est xf = 2,510 –4 mol. 1.4. Si la transformation est totale alors xf = xmax et le réactif limitant est totalement consommé.

Si H2O2(aq) est limitant alors 2,510–4 – xmax = 0  xmax = 2,510–4 mol

Si I–(aq) est limitant alors: 1,510–3 – 2xmax = 0  xmax = 7,510–4 mol Le réactif limitant étant celui auquel est associé la plus petite valeur de xmax, on en déduit que l'eau oxygénée est

le réactif limitant et xmax = 2,510–4 mol.

Le taux d'avancement final est:  = 

 

4

f

4

max

x 2,5 10

x 2,5 10 = 1,0.

Comme  = 1,0 la transformation est totale.

xf = 2,5 x 10-4 mol

fx

2 = 1,25 x 10-4 mol

t1/2 = 1,4x102 s

1.5. Le temps de demi-réaction t1/2 est la durée au bout de laquelle l'avancement atteint la moitié de sa valeur

finale : x(t1/2) = f x

2

1.6. Voir graphique précédent. Pour déterminer graphiquement t1/2 , on trace la droite x = f x

2 = 1,2510–4 mol.

Cette droite coupe le graphe x(t) en un point d'abscisse égale à t1/2.

Graphiquement: 800 s  10,0 cm

t1/2  1,75 cm

donc t1/2 = 1,75  800 / 10,0 = 1,4102 s1.7. La vitesse volumique de réaction, définie par la

relation v = dx . V dt

1 , est proportionnelle au terme

dx

dt

qui représente graphiquement, le coefficient directeur de la tangente au graphe au point considéré. Or en traçant plusieurs tangentes sur le graphe, on

constate que le terme dx

dt diminue au cours du

temps. La vitesse de réaction diminue elle aussi au cours du temps. 2. Étude de la lumière utilisée dans le spectrophotomètre.

2.1.1.  est la longueur d'onde de la radiation monochromatique considérée. a est la largeur de la fente.

et a s'expriment en m.

 s'exprime en rad (Le radian est une unité d'angle qui n'a pas de dimension physique contrairement à

 et a qui sont des longueurs). 2.1.2. Le phénomène de diffraction est d’autant plus observable que la largeur a de la fente est faible face à la

longueur d’onde . 3. Émission ou absorption d'une radiation par un atome.

3.1. Relation entre la fréquence  de la radiation et sa longueur d'onde dans le vide  :   

c

3.2.  = 

c

 = 580 nm et c = 3,0108 m.s-1 :

  

8

9

3,0 10

580 10 = 5,21014 Hz.

3.3. E : énergie perdue par l'atome, en J h : constante de Planck en J.s

 : fréquence de la radiation émise par l'atome, en Hz.

3.4. Énergie perdue par l'atome : E = h. 

E = 6,6210 –34 5,210 14 = 3,410 –19 J

Or 1eV = 1,6  10-19J donc E = 19

19

3,4 10

1,6 10

 = 2,1 eV

3.5. 3.5.1. Une radiation peut interagir avec un atome si

la variation d'énergie E est égale à une transition entre deux niveaux d'énergie de l'atome. Ici, entre l'état fondamental d'énergie E0 = – 5,1 eV et le premier état excité de l'atome d'énergie E1 = -3,0 eV,

E = E1 – E0 = -3,0 – (–5,1) = 2,1 eV

La radiation peut donc interagir avec l'atome et celui passera du niveau d'énergie E0 à celui d'énergie E1. 3.5.2. Voir transition sur le diagramme ci-contre : 3.5.3. Cette transition correspond à une absorption car l'atome passe d'un niveau d'énergie donné à un niveau supérieur d'énergie. 3.5.4. Si l'atome, dans son état fondamental, reçoit une radiation dont le quantum d'énergie vaut 3,0 eV alors :

E = Ei – E0 = Ei – (–5,1) = 3,0 Ei = 3,0 – 5,1 = – 2,1 eV

L'énergie Ei ne correspond à aucun des niveaux d'énergie de l'atomedonc la radiation n'est pas absorbée par l'atome.

0

E (en eV)

- 1,5

- 1,9

- 3,0

- 5,1

E0

E1

état

fondamental

1er état

excité

Radiation d'énergie

E = E1 – E0

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