L'eau de Javel : suivi cinétique bac S Antilles 2008.

Sur l'étiquette d'un berlingot d'eau de Javel on lit : volume Vb=250 mL ; solution d'hypochlorite de sodium (Na+ aq + ClO-aq) dilution : introduire un berlingot dans un flacon de 1 L et compléter avec de l'eau A utiliser dans les trois mois suivant l'achat. Préparation du dichlore : L'eau de Javel est préparée industriellement par réaction entre le dichlore Cl2 et la soude (Na+ aq + HO-aq ). Le dichlore est obtenu par une électrolyse d'une solution aqueuse de chlorure de sodium (Na+ aq + Cl-aq ) Quelle transformation subissent les ions chlorure lors de l'électrolyse ? Ecrire la demi équation associée. Quel est le nom de l'électrode où a lieu cette transformation ? Oxydation à l'anode des ions chlorures : 2Cl-aq = Cl2 + 2e-. Afin de préparer en 90 min la solution commerciale dont l'étiquette est donnée ci-dessus, il faut obtenir 0,525 mol de dichlore à partir de la solution électrolysée. Déterminer la quantité ne d'électrons et l'intensité I du courant. La transformation est considérée comme totale ; 1 F = 9,65 104 C mol-1. D'après les nombres stoechiomètriques de la demi-équation ci-dessus : ne = 2 nCl2 = 2*0,525 =1,05 mol. Quantité d'électricité correspondante : Q= ne F = 1,05*9,65 104 =1,01 105 C Intensité du courant : t = 90*60 = 5400 s I= Q/t = 1,01 105 / 5400 =18,8 A  Décomposition de l'eau de Javel. L'ion hypochlorite est un oxydant susceptible d'oxyder l'eau suivant : 2 ClO-aq = O2(g) + 2Cl-aq Cette réaction étant très lente on peut la catalyser par les ions coblat Co2+aq. Donner la définition d'un catalyseur. Un catalyseur accélère une réaction : il participe à la réaction mais se retrouve régénéré en fin de réction. Un catalyseur peut orienter une réaction quand deux issues sont possibles. Un catalyseur ne permet pas de réaliser une réaction thermodynamiquement impossible. Pour étudier la cinétique de décomposition de l'eau de Javel, on prépare une solution diluée à partir de la solution S0 de concentration c0 contenue dans un berlingot récemment fabriqué.  Choisir en justifiant le lot de verrerie adapté à la préparation d'un volume v1=100 mL de solution diluée S1 de concentration c0/4.  lot 1 lot 2 lot 3 lot 4 éprouvette graduée 50 mL éprouvette graduée 100 mL becher de 50 mL pipette jaugée 50,0 mL fiole jaugée 100 mL becher de 50 mL pipette jaugée 25,0 mL éprouvette graduée 100 mL becher de 50 mL pipette jaugée 25,0 mL fiole jaugée 100 mL becher de 50 mL Facteur de dilution F=4 Le volume de la pipette jaugée doit être 4 fois plus petit que celui de la fiole jaugée de 100 mL : lot 4.   Web www.chimix.com Suivi cinétique. La réaction s'effectue dans un ballon de volume VB=1,2 L hermétiquement fermé. On mesure à température constante, la variation de pression DP due au dioxygène gazeux produit. Dans ce ballon on introduit V1 = 100 mL de la solution S1 puis on déclenche le chronomètre au moment où l'on met le catalyseur dans la solution. On montre que la pression mesurée Pmes dans le ballon à une date t a pour expression : Pmes =P0 +n(O2) RT/VB. T= 290 K ; pression initiale dans le ballon P0 =1,00 105 Pa ; n(O2) quantité de matière dioxygène R = 8,31 SI ; on néglige le volume de la solution devant le volume gazeux. Montrer que l'avancement x de la réaction a pour expression x= 5,0 10-7 DP. avancement (mol) 2 ClO-aq = O2(g) + 2Cl-aq initial 0 0,25V1c0 0 0 en cours x 0,25V1c0 -2x x = n(O2) 2x DP =Pmes -P0 = n(O2) RT/VB = x RT/VB avec VB =1,2 10-3 =m3. RT/VB = 8,31*290/1,2 10-3 =2,00 106. DP = 2,00 106 x ; x= 5,0 10-7 DP. On relève la pression à différentes dates et on trace la courbe DP=f(t). Déterminer la valeur de l'avancement final xf. DP final = 40 000 Pa ; xf = 5,0 10-7 DPfinal = 5,0 10-7 *40 000 =2,0 10-2 mol. Donner la définition du temps de demi-réaction t½ et le déterminer graphiquement. Durée au bout de laquelle l'avancement est égal à la moitié de l'avancement final. xt½ = 0,5 xf = 0,01 mol ; DPt½ =xt½ / 5 10-7 = 0,01 / 5 10-7 = 20 000 Pa. La vitesse volumique de la réaction étudiée est donnée par : v = 1/V1 dx/dt Préciser l'unité de la vitesse de réaction. mol L-1 s-1.   En déduire que v = 5,0 10-6 d(DP)/dt. x= 5,0 10-7 DP ; dx/dt = 5,0 10-7 d DP /dt ; V1 = 0,1 L par suite : v = 5,0 10-6 d(DP)/dt. Comment évolue qualitativement la vitesse volumique de la réaction au cours du temps. Justifier à partir de le courbe.   [d DP /dt ]t représente le coefficient directeur de la tangente à la courbe DP=f(t) à la date t. Les tangentes sont de moins en moins inclinées par rapport à l'horizontale au cours du temps :  [d DP /dt ]t diminue donc et en conséquence la vitesse décroît au cours du temps . Conservation de l'eau de Javel. Le degré chlorométrique français de l'eau de Javel correspond au volume de dichlore gazeux, exprimé en litre, ( à une température de 273 K et sous une pression de 1 bar) nécessaire à la préparation d'un litre d'eau de Javel suivant une transformation totale modélisée par l'équation : Cl2(g) + 2HO-aq = ClO-aq + Cl-aq + H2O(l). Dans les conditions de l'expérience, la quantité de matière de dichlore nécessaire à la fabrication d'un litre d'eau de Javel à 48 ° est donc n(Cl2)= 2,10 mol. Déterminer la concentration molaire c0 en ion hypochlorite de l'eau de Javel contenue dans un berlingot. D'après les nombres stoechiométriques de l'équation ci-dessus : n(Cl2)=n(ClO-aq ) = 2,10 mol dans 1 L Or le volume d'un berlingot est Vb = 0,25 L : la quantité de matière d'ion hypochlorite dans un berlingot est donc : 2,10*0,25 = 0,525 mol. [ClO-aq ] = n(ClO-aq ) / Vb = 0,525 / 0,25 =2,10 mol/L. En déduire la concentration c1 de la solution S1. La solution mère S0 a été dilué 4 fois : c1 = c0/4 = 0,525 mol/L. Déterminer la quantité d'ion hypochlorite restant dans la solution après 10 minutes de décomposition. Conclure. En présence de catalyseur, en 10 minutes les ions hypochlorite ont complétement disparu. En absence de catalyseur, la réaction est plus lente : néanmoins au bout de 2 à 3 mois, les ions hypochlorite auront pratiquement tous disparu. Il faut donc utiliser assez rapidement l'eau de Javel après son achat.

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