Oxydoréduction. Analyse détaillée d'exercices réalisés sous forme de QCM. Autour de l'ion permanganate.

Oxydation de l'éthanol en acide éthanoïque. Texte : la législation autorise l'addition de 5 % ( en volume) d'éthanol à l'essence. Va=20 mL de ce carburant sont oxydés par une solution acidifiée de permanganate de potassium C= 0, 4mol/L .Véquivalent = 24 mL. réthanaol = 790 kg m-3. C : 12 ; H : 1 ; O : 16 g/mol Couples Ox/red : CH3COOH/CH3CH2OH et MnO4-/Mn2+. Questions traitant de la quantité de matière d'alcool exprimée en mole, en gramme ou en mL. Analyse : Il faut écrire les demi-équations électroniques puis l'équation bilan. 5 fois { CH3CH2OH +H2O = 4H+ + 4e- + CH3COOH } 4 fois { MnO4- + 8H+ + 5e- = Mn2+ + 4 H2O } 5 CH3CH2OH + 4 MnO4- + 12H+ = 5 CH3COOH + 4 Mn2+ + 11 H2O . d'où à l'équivalence : n(alcool) = 5/4 n( MnO4- ) = 1,25 n( MnO4- ). Une quantité de matière (mol) est égal au volume (L) multipliée par la concentration (mol/L) n(MnO4-) =C Véquivalent =0,4* 24 10-3 = 9,6 10-3 mol. n(alcool) = 1,25 * 9,6 10-3 = 0,012 mol ; n(alcool) = 12 mmol. Une concentration (mol/L) est une quantité de matière (mol) divisée par un volume (L). [alcool] = n(alcool) / Va = 0,012/0,020 = 12/20 ; [alcool] = 0,6 mol/L. Masse (g) d'alcool dans 1 L = quantité de matière (mol) * masse molaire (g/mol) M = 12*2+6+16 = 46 g/mol ; m(alcool) = 0,6*46 = 27,6 g dans 1 L. volume ( mL) = masse ( g) divisée par la masse volumique ( g/mL). 790 kg m-3 = 790 *103 / 106 g/cm3 = 0,79 g/cm3 = 0,79 g/mL. 1 mL a une masse de 0,79 g V mL ont une masse de 27,6 g d'où le volume d'alcool : 27,6 / 0,79 = 35 mL dans 1 L de carburant pourcentage volumique : 35/1000 *100 = 3,5 %. a) exact : après l'équivalence l'ion permanganate de couleur violette est en excès.  Seules les affirmations contenant l'une des informations suivantes sont donc exactes :  alcool éthylique ou éthanol. quantité de matière concentration masse dans 1 L volume % volumique 0,012 mol = 12 mmol 0,6 mol/L 27,6 g/L 35 mL 3,5 %   Question traitant de la couleur de la solution.    Seul l'ion permanganate MnO4- est coloré ( violet assez foncé) La burette contient la solution de permanganate de potassium ; l'erlenmeyer ou le becher contient la solution avec l'éthanol. Avant l'équivalence : MnO4- est en défaut dans le becher, la solution est donc incolore. A l'équivalence : MnO4- ajouté est en quantité stoechiomètrique, la solution est incolore. Après l'équivalence : MnO4- est en excès dans le becher, la solution est donc rose violet. Seule l' affirmation suivante est donc exacte :  En ajoutant une goutte de solution de permanganate après l'équivalence, la couleur de la solution change.     Oxydation complète d'un mélange alcool ROH et aldehyde RCHO. Texte : à partir de 80 g de ce mélange on obtient un produit unique, l'acide éthanoïque de masse m. Le volume de la solution obtenue, notée S, est 1 L. On titre 10 mL de la solution S par de la soude (hydroxyde de sodium) de concentration CB= 1,0 mol/L.Véq = 18,0 mL. C = 12 ; H= 1 ; O= 16 g/mol. Couples acide / base : H2O / HO- ; CH3-COOH / CH3-COO-. Analyse : Questions traitant des quantité de matière d'alcool et d'aldehyde exprimées en mole, en masse. On note a, la quantité de matière d'éthanol et b celle d'éthanal. M( C2H6O, alcool) = 46 g/mol ; M( C2H4O éthanal) = 44 g/mol. masse du mélange = masse éthanol + masse éthanal . masse (g) = masse molaire (g/mol) * quantité de matière (mol) m( éthanol )= 46 a ; m( éthanal) = 44 b. 80 = 46 a + 44 b (1) Couples oxydant / réducteur : CH3-COOH / CH3-CH2-OH et CH3-COOH / CH3-CHO. CH3-CH2-OH +H2O = CH3-COOH + 4H+ + 4e-. Par oxydation ménagée, a mol d'éthanol donne a mol d'acide éthanoïque. CH3-CHO +H2O = CH3-COOH + 2H+ + 2e-. b mol d'éthanal donne b mole d'acide éthanoïque. Couples acide / base : H2O / HO- ; CH3-COOH / CH3-COO-. Equation de la réaction de titrage : CH3-COOH + HO- = CH3-COO- + H2O. La quantité de matière totale d'acide éthanoïque est déterminée par les données à l'équivalence du dosage : n( acide) = n ( soude) = c Véq = 1*17,5 10-3 = 1,75 10-2 mol dans 10 mL de la prise soit 1,75 mol dans 1000 mL ou 1 L. Par suite : a+b = 1,75 (2) a = 1,75 -b, repport dans (1) : 80 = 46(1,75-b) + 44 b b = 0,25 mol d'éthanal ; a = 1,5 mol d'éthanol ; m(éthanal) = 44*0,25 = 11 g ; m ( éthanol) = 46*1,5 = 69 g.  Seules les affirmations contenant l'une des informations suivantes sont donc exactes :  alcool éthylique ou éthanol. aldehyde, éthanal quantité de matière masse quantité de matière masse 0,25 mol 11 g 1,5 mol 69 g     Web www.chimix.com Ion manganate MnO42- et ion permanganate MnO4-. Texte : une solution, notée A, de manganate de potassium est de couleur verte ; une solution, notée B, de permanganate de potassium est de couleur rose violet. A la solution A on ajoute de l'acide sulfurique : la teinte verte disparaît, une coloration rose apparaît. Couples redox : MnO42-/ Mn2+ et MnO4- /MnO42-. Analyse : Questions relatives aux mots " oxydation, réduction, oxydant, réducteur, dismutation". Remarques : le mot "amphotère" ou ampholyte" est réservé aux couples acide / base. L'ion manganèse Mn2+ est incolore. " la teinte verte disparaît, une coloration rose apparaît " signifie : MnO42- , un réducteur, s'oxyde en MnO4- ; la réaction est une oxydation. 4 fois { MnO42- = MnO4- + e- }. MnO42- libère 1 électron. Or une réduction accompagne toujours une oxydation. MnO42- , un oxydant, se réduit en Mn2+ ; la réaction est une réduction. MnO42- +8H+ + 4e- = Mn2+ + 4H2O. MnO42- gagne 4 électrons. Bilan : 5 MnO42- +8H+ = 4MnO4- + Mn2+ + 4H2O MnO42- joue un double rôle, oxydant et réducteur ; MnO42- se dismute : la réaction est une dismutation.  Seules les affirmations contenant l'une des informations ci-dessus seraient exactes.  acide oxalique H2C2O4 et ion permanganate MnO4-.   Texte : on fait réagir V=20 mL de solution de permanganate de potassium de concentration C=0,10 mol/L avec V= 20 mL d'une solution d'acide oxalique de concentration Ca =0,25 mol/L. Le mélange initial est violet. Couples redox : MnO4-/ Mn2+ et CO2 /H2C2O4. Analyse : 2 fois { MnO4- + 8H+ + 5e- = Mn2+ + 4 H2O } L'oxydant MnO4- se réduit. 5 fois { H2C2O4 = 2 CO2 + 2H+ + 2e-} Le réducteur H2C2O4 s'oxyde. 5H2C2O4 + 2MnO4- + 6H+ = 10 CO2 + 2Mn2++ 8H2O. Questions relatives aux mots " réactif en excès, en défaut, stoechiométrique". Quantité de matière (mol) = concentration (mol/L) * volume (L). Au départ : n(MnO4- ) =CV = 0,10*0,02 = 2 10-3 mol et n(H2C2O4 ) = CaV = 0,25*0,02 = 5 10-3 mol avancement (mol) 2MnO4- +5H2C2O4 départ 0 0,002 0,005 en cours x 0,002-2x 0,005-5x fin ( transformation totale) xmax 0,002-2xmax 0,005-5xmax Si MnO4- est en défaut : 0,002-2xmax =0 ; xmax =0,001 mol Si H2C2O4 est en défaut : 0,005-5xmax =0 ; xmax =0,001 mol Donc réactifs en proprotions stoechiométriques. Questions relatives à l'évolution de la couleur. Seul l'ion permanganate est coloré ( violet). A la fin de la réaction, l'ion permanganate est entièrement consommé : la teinte violette s'atténue lentement jusqu'à disparaître. Questions relatives à la vitesse de la réaction. Concentrations des réactifs et température sont des facteurs cinétiques. Le temps de demi-réaction t½ : à t½ l'avancement est égal à la moitié de l'avancement final.   L'ion Mn2+ sert de catalyseur ( autocatalyse) et au début la quantité de catalyseur est nulle. La tangente est pratiquement horizontale : la vitesse est quasiment nulle. La quantité de matière d'ion Mn2+ augmente et en conséquence la vitesse de la réaction. La quantité de matière des réactifs diminue au cours du temps : ce second facteur va faire décroître la vitesse de la réaction au bout d'un temps assez long. Ce phénomène porte le nom d'autocatalyse : l'un des produits de la réaction sert de catalyseur.

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