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Exercices Pour s'entraîner
P.99-101

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Exercices




Pour s'entraîner


20
Paramètre d’influence en QCM

APP : Extraire l’information utile

Pour aborder un chapitre de cinétique, et l’influence des facteurs cinétiques sur la vitesse volumique, un enseignant conseille à ses élèves de lire intégralement l’exercice et de bien comprendre l’énoncé avant de se lancer dans la rédaction des réponses.
L’un d’entre eux suit le conseil prodigué et arrive rapidement sur le graphique suivant, représentant l’évolution de la concentration d’une espèce chimique en fonction du temps pour une série de trois expériences.
Sans contexte particulier pour le renseigner, on se propose d’aider cet élève à décrypter.

Graphique

1. Le graphique présente l’évolution de la concentration :




2. Identifier le paramètre expérimental qui a été modifié entre ces trois expériences.




3. Préciser laquelle de ces affirmations est vraie.


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21
Décomposition de l’iodure d’hydrogène

RAI/MOD : Modéliser une transformation

Lors de la décomposition de l’iodure d’hydrogène HI(g)\text{HI}(\text{g}), il se forme du diiode I2(g)\text{I}_2(\text{g}) de couleur violette et du dihydrogène H2(g)\text{H}_2(\text{g}). La décomposition à 1 000 K de l’iodure d’hydrogène HI(g)\text{HI}(\text{g}) est étudiée et on représente la concentration en diiode I2(g)\text{I}_2(\text{g}) formé, c’est-à-dire la quantité de diiode par unité de volume de gaz, sur le graphique ci-dessous.

Concentration en diiode

1. Proposer une méthode de suivi expérimental de la concentration en diiode I2(g)\text{I}_2(\text{g}).


2. Déterminer la concentration finale en diiode.


3. En déduire la concentration initiale en iodure d’hydrogène.


4. Déterminer le temps de demi-réaction t1/2t_{1/2}.
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Comprendre les attendus

22
Synthèse du phosgène

REA : Utiliser un modèle

Le phosgène COCl2(g)\text{COCl}_2(\text{g}) est synthétisé par un mécanisme en quatre étapes qui fait intervenir une espèce instable Cl(g)\text{Cl}^{\bullet}(\text{g}), espèce dite radicalaire.
  • 2 Cl(g) 2 Cl(g)2\ \text{Cl}(\text{g}) \rightarrow \ 2\ \text{Cl}^{\bullet}(\text{g})
  • CO(g)+Cl(g) COCl(g)\text{CO}(\text{g}) + \text{Cl}^{\bullet}(\text{g})\rightarrow \ \text{COCl}(\text{g})
  • COCl(g)+Cl2(g) COCl2(g)+Cl(g)\text{COCl}(\text{g}) + \text{Cl}_2(\text{g}) \rightarrow \ \text{COCl}_2(\text{g}) + \text{Cl}^{\bullet}(\text{g})
  • 2 Cl(g) Cl2(g)2\ \text{Cl}^{\bullet}(\text{g}) \rightarrow \ \text{Cl}_2(\text{g})

1. Écrire l’équation-bilan.


2. Vérifier la présence ou non d’un catalyseur.


3. Identifier l’intermédiaire réactionnel.


Détails du barème

TOTAL / 3 pts
1. Établir l’équation-bilan.
1 pt
2. Repérer la présence ou non d’un catalyseur en rappelant sa définition.
1 pt
3. Identifier un intermédiaire réactionnel.
1 pt
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23
Substitution

VAL : Faire preuve d’esprit critique

Mécanisme de réaction

En milieu basique, le bromoéthane peut subir une substitution selon le mécanisme suivant, produisant ainsi de l’éthanol.

1. Cliquer sur l'image du mécanisme et ajouter les flèches courbes en justifiant leur sens.


2. Justifier le terme « substitution ».
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24
Variation de la température

VAL : Analyser des résultats

Un chimiste souhaite réaliser l’estérification de l’éthanoate de butyle d’équation :

C2H4O2(l)+C4H10O(l) C6H12O2(l)+H2O(l)\text{C}_2\text{H}_4\text{O}_2(\text{l}) + \text{C}_4\text{H}_{10}\text{O}(\text{l}) \rightarrow \ \text{C}_6\text{H}_{12}\text{O}_2(\text{l}) + \text{H}_2\text{O}(\text{l})

Cette synthèse est réalisée à trois températures différentes. À l’aide de prélèvements plongés dans des bains d’eau glacée, il réalise des titrages par la soude pour estimer la concentration d’acide éthanoïque au cours du temps.

Concentration d’acide éthanoïque
Concentration d’acide éthanoïque

Le graphe représente l’évolution temporelle de la concentration [CH3COOH][\text{CH}_3\text{COOH}] pour trois températures différentes.


1. Préciser l’influence de la température sur la vitesse de réaction.


La synthèse étudiée suit une loi d’ordre 1 de sorte que la vitesse volumique de disparition de l’acide éthanoïque est proportionnelle à sa concentration. Le coefficient de proportionnalité est une constante kk appelée constante de vitesse dépendant de la température.
On précise ici qu’elle est égale à k1=0,044k_1 = 0{,}044 min-1, k2=0,091k_2 = 0{,}091 min-1 et k3=0,173k_3 = 0{,}173 min-1.

2. Associer, à chaque courbe, sa constante.


3. Déterminer les temps de demi-réaction associés.


4. Calculer le produit p=t1/2kp = t_{1/2} \cdot k. Commenter."
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25
Mécanisme de Diels-Alder

RAI/ANA : Construire un raisonnement

Le mécanisme ci-dessous permet d’obtenir un cycle à six atomes de carbone.

Mécanisme réactionnel

Il est connu sous le nom de mécanisme de Diels-Alder. Kurt Alder et Otto Diels ont obtenu le prix Nobel de chimie en 1950 pour leurs travaux.

Rendez-vous ici pour en apprendre davantage.

À l'aide de l'outil « dessin », ajouter les trois flèches courbes sur ce mécanisme pour symboliser le mouvement des doublets d’électrons.

26
Copie d'élève à commenter

Proposer une justification pour chaque erreur relevée par le correcteur.

Dans les gouttelettes de pluie ayant capté du dioxyde de soufre, on retrouve l’ion hydrogénosulfite HSO3(aq)\text{HSO}_3^-(\text{aq}). Celui-ci réagit avec le dioxygène dissous pour former des ions hydrogène H+(aq)\text{H}^+(\text{aq}) et des ions sulfate SO42(aq)\text{SO}_4^{2-}(\text{aq}) :
HSO3(aq)+12O2(aq) H+(aq)+SO42(aq)\text{HSO}^-_3(\text{aq}) + \dfrac{1}{2}\text{O}_2(\text{aq}) \rightarrow \ \text{H}^+(\text{aq}) + \text{SO}_4^{2-}(\text{aq})

1. Exprimer la vitesse volumique de disparition vv des ions hydrogénosulfite en fonction de [HSO3][\text{HSO}_3^-] en considérant que la réaction est d’ordre 1.

La vitesse volumique de disparition des ions hydrogénosulfite est :

v=k+[HSO3]\xcancel{v = k + [\text{HSO}^-_3]}




2. Établir l’équation différentielle selon [HSO3][\text{HSO}_3^-].

On peut donc établir que d[HSO3]dt=k[HSO3]\xcancel{\dfrac{\text{d}[\text{HSO}^-_3]}{\text{d}t} = k \cdot [\text{HSO}^-_3]} qui est l’équation différentielle selon la concentration en ion hydrogénosulfite. Attention au signe




3. Vérifier que [HSO3]=[HSO3]0exp(tk)[\text{HSO}^-_3] = [\text{HSO}^-_3]_0 \cdot \exp(-t \cdot k) est solution de l’équation différentielle.

On remplace l’expression de [HSO3][\text{HSO}^-_3] dans l’équation différentielle et on remarque que cette expression est bonne. À développer


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27
Vitesse volumique et absorbance

VAL : Exploiter un ensemble de mesures

Bécher de chrome

On étudie la réaction entre les ions chrome Cr3+(aq)\text{Cr}^{3+}(\text{aq}) et l’éthylènediaminetétra‑acétique, plus communément appelée EDTA de formule C10H16N2O8(aq)\text{C}_{10}\text{H}_{16}\text{N}_2\text{O}_8(\text{aq}). Son écriture est simplifiée dans l’équation de la réaction suivante :
Cr3+(aq)+EDTA(aq) Cr-EDTA3+(aq)\text{Cr}^{3+}(\text{aq}) + \text{EDTA}(\text{aq}) \rightarrow \ \text{Cr-EDTA}^{3+}(\text{aq})

Les deux espèces chimiques Cr3+(aq)\text{Cr}^{3+}(\text{aq}) et Cr-EDTA3+(aq)\text{Cr-EDTA}^{3+}(\text{aq}) sont colorées et absorbent toutes deux à la longueur d’onde de travail λ=540\lambda = 540 nm utilisée pour suivre l’absorbance du milieu réactionnel.

On utilise pour la réaction un excès d’EDTA et une concentration initiale en ion Cr3+(aq)\text{Cr}^{3+}(\text{aq}) égale à c=0,0030c = 0{,}0030 mol·L-1. On obtient le tableau suivant pour les mesures d’absorbance sur une heure :

Temps tt (min) Absorbance AA
0 0,058
5 0,080
10 0,101
15 0,120
20 0,139
25 0,158
30 0,176
35 0,193
40 0,210
45 0,226
50 0,242
55 0,256
60 0,271


1. Rappeler la loi de Beer-Lambert et justifier que l’on peut écrire :

A=k1[Cr3+]+k2(c[Cr3+])A = k_1 \cdot [\text{Cr}^{3+}] + k_2 \cdot (c - [\text{Cr}^{3+}])
AA : absorbance de la solution
k1k_1 et k2k_2 : coefficients de proportionnalité entre les absorbances propres et les concentrations des espèces Cr3+(aq)\text{Cr}^{3+}(\text{aq}) et Cr-EDTA3+(aq)\text{Cr-EDTA}^{3+}(\text{aq}) (L·mol-1)
[Cr3+][\text{Cr}^{3+}] : concentration en ion Cr3+(aq)\text{Cr}^{3+}(\text{aq}) (mol·L-1)
cc : concentration initiale en ion Cr3+(aq)\text{Cr}^{3+}(\text{aq}) (mol·L-1)


2. En déduire l’expression de la concentration [Cr3+][\text{Cr}^{3+}] en fonction de AA, de k1k_1, de k2k_2 et de cc.


La vitesse volumique vv de disparition des ions Cr3+(aq)\text{Cr}^{3+}(\text{aq}) est définie par :
v=d[Cr3+]dtv = \begin{vmatrix} \dfrac{\text{d}[\text{Cr}^{3+}]}{\text{d}t} \end{vmatrix}

3. Vérifier que la réaction présente un ordre 1 concernant les ions Cr3+(aq)\text{Cr}^{3+}(\text{aq}).
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28
Ordre de réaction

VAL : Exploiter un ensemble de mesures

On s’intéresse à la réaction suivante :

C4H9Cl(aq)+HO(aq) C4H10O(aq)+Cl(aq)\text{C}_4\text{H}_9\text{Cl}(\text{aq}) + \text{HO}^-(\text{aq}) \rightarrow \ \text{C}_4\text{H}_{10}\text{O}(\text{aq}) + \text{Cl}^-(\text{aq})

Un suivi cinétique par conductimétrie est réalisé. Le milieu réactionnel est préparé en introduisant les réactifs dans des proportions stœchiométriques, de telle sorte que les quantités initiales en 2-chlorobutane C4H9Cl(aq)\text{C}_4\text{H}_9\text{Cl}(\text{aq}) et en ion hydroxyde HO(aq)\text{HO}^-(\text{aq}) soient égales. L’ajout d’ion hydroxyde HO(aq)\text{HO}^-(\text{aq}) s’effectue à l’aide d’une solution d’hydroxyde de sodium (Na+(aq) ; HO(aq))(\text{Na}^+(\text{aq})\ ;\ \text{HO}^-(\text{aq})). Les mesures sont regroupées dans le tableau ci-dessous.

Temps tt (min) 0 10 20 30 60 120
Conductivité σ\sigma (S·m-1) 12,44 10,64 9,38 8,48 7,08 6,42


1. Lister les espèces chimiques responsables de la conductivité de la solution.


2. Exprimer la conductivité σ\sigma en fonction de la concentration de ces espèces chimiques et de leur conductivité molaire ionique.


On note c0=0,50c_0 = 0{,}50 mol·L-1 la concentration en ion hydroxyde HO(aq)\text{HO}^-(\text{aq}) apporté.

3. Exprimer [Cl][\text{Cl}^-] en fonction de [HO][\text{HO}^-].


4. En déduire l’expression de [HO][\text{HO}^-] en fonction de σ\sigma, de λ(Cl)\lambda(\text{Cl}^-), (HO)(\text{HO}^-) et de λ(Na+)\lambda(\text{Na}^+).


5. Préciser en le justifiant s'il s'agit d'une réaction d'ordre 1 selon les ions hydroxyde HO(aq)\text{HO}^-(\text{aq}).


Données
  • Conductivités molaires ioniques :
    • λ(Cl)=7,63\lambda(\text{Cl}^-) = 7{,}63 (mS·m2·mol-1)
    • λ(HO)=19,86\lambda(\text{HO}^-) = 19{,}86 (mS·m2·mol-1)
    • λ(Na+)=5,01\lambda(\text{Na}^+) = 5{,}01 (mS·m2·mol-1)

Conductimètre et sa sonde
Conductimètre et sa sonde

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