Aurélie 16/06/08
 

 

La bouteille magique : oxydo-réduction bac S Afrique 2008.

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Au cours d'une séance de travaux pratiques, un élève d'une terminale S doit réaliser le mélange réactionnel décrit dans le protocole expérimental suivant.

Protocole expérimental :

Dans un erlenmeyer contenant une solution S dont on ne se souciera pas du contenu, on dissout du glucose.

On ajoute une solution de bleu de méthylène. Cette solution donne une coloration bleue au mélange réactionnel.

On constate que la solution bleue devient progressivement incolore.

Boucher l'erlenmeyer et agiter vigoureusement: la solution devient immédiatement bleue puis se décolore de nouveau lentement.

Agiter une nouvelle fois: la solution devient tout de suite bleue puis se décolore progressivement.

Données du problème :

La seule espèce colorée dans le mélange réactionnel est la forme oxydée du bleu de méthylène qui donne une coloration bleue. Elle est notée BM+ (aq).

La forme réduite est notée BMH (aq).

Dans les conditions de l'expérience, le glucose est un réducteur qui réduit le bleu de méthylène. On admettra qu'il est introduit en large excès devant les autres réactifs.. Le glucose est noté RCHO (aq). Sa masse molaire est M = 180 g/mol.

Couples oxydant / réducteur :

BM+ (aq) / BMH (aq) ; O2 (aq) / H20 (l ) ; RCOOH (aq) / RCHO (aq).


Équation de la réaction modélisant la transformation chimique entre le 'glucose et la solution de bleu de méthylène.

Donner la définition d'un oxydant, puis d'un réducteur.

Oxydant : espèce, ion ou molécule susceptible de gagner un ou plusieurs électrons.

Réducteur : espèce, ion ou molécule susceptible de donner un ou plusieurs électrons.



Écrire la demi équation électronique de réduction de la forme oxydée BM+ (aq) du bleu de méthylène.

BM+(aq) + H+ (aq) +2e- = BMH.

Écrire la demi équation électronique d'oxydation du glucose RCHO (aq).

RCHO(aq) + H2O (l) = RCOOH(aq) + 2 H+ (aq) +2e-.

En déduire que l'équation d'oxydoréduction entre le glucose et la forme oxydée du bleu de méthylène est :

RCHO(aq) + BM+(aq) + H2O( l ) = RCOOH(aq) + BMH(aq) + H+(aq) (1)

Cette réaction est lente.

Il suffit d'ajouter les deux demi-équations électroniques précédentes, d'où :

BM+(aq) + H+ (aq) +2e- +RCHO(aq) + H2O (l) = BMH + RCOOH(aq) + 2 H+ (aq) +2e-.

2e- étant écrit de chaque coté du signe égal il vient après simplification :

BM+(aq) + H+ (aq)+RCHO(aq) + H2O (l) = BMH + RCOOH(aq) + 2 H+ (aq)

Puis retrancher H+ à chaque membre de l'égalité :

BM+(aq) + RCHO(aq) + H2O (l) = BMH + RCOOH(aq) + H+ (aq).

Interprétation des observations :

Lorsque l'on agite I'erlenmeyer, une partie du dioxygène de I'air se dissout dans la solution puis réagit en oxydant la forme réduite du bleu de méthylène. L'équation de la réaction modélisant la transformation chimique est donnée ci-dessous :

2 BMH(aq) + 02(aq) + 2H+(aq) = 2H2O(l) + 2BM+(aq) ( 2)

Cette réaction est rapide et totale.

A I'aide des caractéristiques des équations chimiques 1 et 2 expliquer les variations de couleur observées lors de l'expérience et leurs vitesses.

La solution S contient, entre autres, du glucose ( réducteur en excès ) et du bleu de méthylène ( la forme oxydée BM+ (aq) du bleu de méthylène est responsable de la coloration bleue).

La réduction de BM+ (aq) par le glucose est lente ( vitesse assez faible) : la teinte bleue disparaît donc lentement.

" Boucher l'erlenmeyer et agiter vigoureusement " :

l'oxydation de BMH (aq) en BM+ (aq) par le dioxygène dissout est rapide et totale : la teinte bleue apparaît rapidement.

"la solution devient tout de suite bleue puis se décolore progressivement".

La réduction de BM+ (aq) par le glucose en excès est lente ( vitesse assez faible) : la teinte bleue disparaît donc lentement.

Quels facteurs cinétiques pourrait-on utiliser pour augmenter la vitesse de la réaction décrite dans la partie 1 ?

Augmenter la température, utiliser un catalyseur.

Étude quantitative :

L'erlenmeyer dans lequel l'élève réalise l'expérience est bouché hermétiquement et contient un volume V(O2) = 48 mL de dioxygène et 5,0 g de glucose RCHO.

Le volume molaire des gaz dans les conditions de l'expérience vaut Vm = 24 L/mol.

Compléter de façon littérale et en respectant les notations, le tableau d'avancement suivant :


avancement (mol)
2BMH(aq)
+O2(aq)
+2H+(aq)
=2H2O(l)
+2BM+(aq)
initial
0
ni(BMH)
ni(O2)
excès
excès
0
intermédiaire
x
ni(BMH)-2x
ni(O2)-x
2x
final
xmax
ni(BMH)-2xmax
ni(O2)-xmax
2xmax




Calculer la quantité de matière initiale ni (02) de dioxygène contenu dans l'erlenmeyer.
ni(O2)=
V(O2)/Vm

= 48 10-3 / 24 = 2,0 10-3 mol.

On réalise une série d'agitations successives qui permet de dissoudre tout le dioxygène présent dans l'erlenmeyer.

En déduire la quantité de matière ni(BMH) susceptible de réagir avec la quantité de matière initiale ni(02) de dioxygène.

Dans l'hypothèse probable où le dioxygène est en défaut : ni(O2)-xmax =0 ; xmax = ni(O2)

La quantité de matière ni(BMH) susceptible de réagir avec ni(O2) est telle que : ni(BMH) -2xmax = 0

ni(BMH) = -2xmax =2 ni(O2) = 4,0 10-3 mol.

À partir de l'équation 1, montrer que la quantité de matière de glucose n(RCHO) ayant réagi au cours de l'expérience est 4,0 10-3 mol.

On pourra s'aider d'un tableau d'avancement.

avancement (mol)
RCHO(aq)
+ BM+(aq)
+ H2O( l )
= RCOOH(aq)
+ BMH(aq)
+ H+(aq)
initial
0
n(RCHO)
n(BM+)
excès
0
0
0
intermédiaire
x
n(RCHO)-x
n(BM+)-x
x
x
x
final
xmax
n(RCHO)-xmax
n(BM+)-xmax
xmax
xmax = 4 10-3
xmax
La quantité de matière de glucose ayant réagi est telle que : n(RCHO)-xmax =0

n(RCHO) = xmax = 4,0 10-3 mol.

En déduire la masse m de glucose n'ayant pas réagi dans l'erlenmeyer.

m (RCHO) réagissant =
n(RCHO) * M(RCHO)

= 4 10-3 *180 = 0,72 g.

m = 5,0 - 0,72 = 4,28 g ~ 4,3 g.





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