Chimie
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Détermination de l'ordre de réaction du persulfate d'ammonium sur l'iodure de potassium

Principe

L'ion persulfate est un oxydant puissant car il a une grande tendance à acquérir des électrons pour passer à l'état d'ion sulfate selon

Il peut en particulier oxyder l'ion iodure en diode : d'où l'équation globale :

Pour étudier cette réaction chimique, on utilise la méthode dite des ordres partiels. On opère en deux temps.

  • Détermination de l'ordre par rapport à

Considérons la réaction (1). La loi de vitesse expérimentale peut s'écrire

avec

= concentration initiale du persulfate (mol.L-1)

= quantité de persulfate transformé au temps par litre de solution (mol.L-1)

= concentration initiale de (mol.L-1)

= quantité de transformée au temps par litre de solution (mol.L-1)

= ordre de la réaction par rapport au persulfate

= ordre de la réaction par rapport à

= ordre global.

Pour déterminer l'ordre par rapport à il faut maintenir constante la concentration en iodure dans l'expérience. Pour cela, l'iode formé par la réaction (1) sera immédiatement détruit pour reformer l'iodure par l'intermédiaire de (thiosulfate de sodium) selon l'équation (2)

La concentration molaire initiale de sera modifiée au cours de l'expérience alors que la concentration de restera la même.

Remarques :

Si l'on fait varier la concentration du persulfate, il faudra compenser la diminution de la concentration en ions et par l'addition d'une quantité équivalente d'un composé ionique apportant des ions de même charge et ne réagissant pas avec le persulfate ou l'iodure pour que la force ionique demeure sensiblement constante. On ajoutera le sulfate d'ammonium .

L'équation de vitesse devient alors

avec .

En intégrant on trouve

  • si      

  • si      

Si l'on obtient une droite lorsqu'on trace la courbe en fonction du temps, la réaction est du premier ordre par rapport au persulfate ;

si l'on obtient une droite lorsqu'on trace la courbe en fonction du temps, la réaction est du deuxième ordre par rapport au persulfate.

  • Détermination de l'ordre par rapport à

Dans une deuxième expérience, on garde la même concentration en persulfate mais on modifie la concentration initiale en en prenant par exemple au lieu de ; on procède de la même manière que dans la première partie pour que la concentration de reste constante au cours de l'expérience.

Remarques : Les expériences ne pourront être comparées que si les solutions utilisées ont la même force ionique. Pour cela on ajoutera du nitrate de potassium qui a la même charge que et qui ne réagit pas avec .

Si l'ordre par rapport au persulfate est égal à 1 et si la concentration en iodure est (expérience n° 1), on a l'expression .

Si la concentration initiale en iodure est (expérience n° 5) .

Si on fait le rapport des 2 expressions, on obtient soit .

Selon la valeur expérimentale du rapport on peut déduire la valeur de .

Appareillage et manipulation

Appareillage :

Bain thermostaté, thermomètre, chronomètre digital, erlen, anneaux lourds, éprouvette graduée, burette graduée, pipette graduée, propipette.

Solutions :

(thiosulfate de sodium) à diluer pour obtenir

(iodure de potassium)

(persulfate d'ammonium)

(nitrate de potassium)

(sulfate d'ammonium)

Empois d'amidon ou thiodène.

Préparer dans un erlen A de 150 cm3 le mélange suivant

  • 20 cm3 de à

  • 10 cm3 de à (ne pas oublier de diluer la solution donnée qui contient à l'aide d'une pipette de 25 cm3 et d'une fiole jaugée de 250 cm3)

et

  • 5 gouttes d'empois d'amidon ou de thiodène

D'autre part, introduire dans un erlen B, 20 cm3 de à .

Placer les erlens A et B dans le bain thermostaté, après avoir réglé le thermostat à une température de 4° au-dessus de la température ambiante de la salle.

Laisser les 2 erlens quelques minutes dans le bain pour que leur contenu atteigne la température d'équilibre du bain.

Plonger ensuite le thermomètre dans l'erlen A et noter la température °C.

Verser alors rapidement le contenu de l'erlen B dans l'erlen A en déclenchant au même moment le chronomètre.

Homogéneiser le mélange obtenu en l'agitant un instant.

Laisser l'erlen A dans le bain thermostaté.

Noter le temps au bout duquel la coloration apparaît. L'iode formé donne une coloration bleu-violet en se fixant sur le thiodène ou l'empois d'amidon.

(Rincer le plus rapidement possible à la fin de la mesure l'erlen A pour éviter que l'iode formé en grande quantité se dépose sur les parois de l'erlen).

Le volume de la solution est de 50 cm3, calculer la concentration initiale (mol.L-1) des ions iodures (b) et celle des ions persulfate (a).

Calculer la quantité en mole par litre de persulfate réduit au temps . Tous les calculs de concentration doivent être faits avant la séance.

Expériences à mener

  • Détermination de l'ordre par rapport à

Cette expérience est répétée pour les mélanges du même contenu de l'erlen A et mais d'un contenu différent de l'erlen B. On fera les mesures pour

  • n°1 : 20 cm3 de à et 0 cm3 de à ,

  • n°2 : 10 cm3 de à et 10 cm3 de à ,

  • n°3 : 7,5 cm3 de à et 12,5 cm3 de à ,

  • n°4 : 5 cm3 de à et 15 cm3 de à .

Ces expériences permettent de calculer l'ordre partiel par rapport à la concentration de étant constante.

Calculer pour chaque mélange la concentration initiale du persulfate , la concentration initiale de , , et la quantité de persulfate transformée .

Représenter sur papier millimétré en fonction du temps. Idem pour en fonction du temps.

Comparer les 2 courbes obtenues, en déduire l'ordre de la réaction par rapport au persulfate.

(Ne pas oublier que pour , , les 2 courbes obtenues doivent passer par l'origine).

  • Détermination de l'ordre par rapport à

Effectuer les mesures précédentes pour le mélange suivant :

Erlen A  :

  •  10 cm3 de à

  • 10 cm3 de à

  • 10 cm3 de à

  • 5 gouttes d'empois d'amidon ou de thiodène

Erlen B :

  • 20 cm3 de à

Cette mesure n°5 sera effectuée à la même température que les 4 mélanges précédents.

  • Noter le temps correspondant à l'apparition de la coloration.

  • En déduire l'ordre par rapport à en comparant les vitesses et .

  • Donner l'ordre global de la réaction

  • Calculer la valeur de la constante de vitesse pour les expériences que vous venez d'effectuer.

Simulation de la manipulation

Légende :
Apprendre
S'évaluer
S'exercer
Observer
Simuler
Réalisé avec Scenari (nouvelle fenêtre)