Impact des Catalyseurs sur les Réactions Chimiques
Comprendre le rôle d'un catalyseur et son influence sur la vitesse d'une réaction chimique.
Un catalyseur est une substance qui augmente la vitesse d'une réaction chimique sans être consommée au cours de cette réaction. Il agit en général en abaissant l'énergie d'activation de la réaction, c'est-à-dire l'énergie minimale que les réactifs doivent posséder pour que la réaction puisse se produire. Un catalyseur ne modifie ni l'état final de la réaction, ni la quantité de produits formés à partir d'une quantité donnée de réactifs ; il permet seulement d'atteindre cet état final plus rapidement.
La décomposition du peroxyde d'hydrogène (eau oxygénée, \(H_2O_2\)) en eau (\(H_2O\)) et en dioxygène (\(O_2\)) est une réaction qui peut être catalysée.
L'équation de la réaction de décomposition est :
La vitesse de réaction peut être évaluée en mesurant la vitesse de formation d'un produit (par exemple, le volume de dioxygène dégagé par unité de temps) ou la vitesse de disparition d'un réactif.
Données du Problème
On réalise deux expériences pour étudier la décomposition du peroxyde d'hydrogène.
Dans chaque expérience, on utilise :
- Volume de la solution de peroxyde d'hydrogène : \(V_{sol} = 50.0 \text{ mL}\)
- Concentration massique initiale en peroxyde d'hydrogène : \(C_{m, H_2O_2} = 17.0 \text{ g/L}\)
Conditions des expériences (où le volume molaire des gaz est \(V_m = 24.0 \text{ L/mol}\)) :
- Expérience 1 (sans catalyseur) : Après \(t_1 = 10.0 \text{ minutes}\), on recueille un volume \(V_{O2,1} = 60.0 \text{ mL}\) de dioxygène.
- Expérience 2 (avec catalyseur) : On ajoute quelques gouttes d'une solution de chlorure de fer(III) (\(FeCl_3\)), qui fournit des ions \(Fe^{3+}\) agissant comme catalyseur. On recueille le même volume \(V_{O2,2} = 60.0 \text{ mL}\) de dioxygène en une durée \(t_2 = 30.0 \text{ secondes}\).
Masses molaires atomiques :
- Hydrogène (H) : \(M(H) = 1.0 \text{ g/mol}\)
- Oxygène (O) : \(M(O) = 16.0 \text{ g/mol}\)
Questions
- Calculer la masse molaire moléculaire du peroxyde d'hydrogène (\(M_{H_2O_2}\)).
- Calculer la masse initiale de peroxyde d'hydrogène (\(m_{H_2O_2,initiale}\)) dans les 50.0 mL de solution.
- Calculer la quantité de matière initiale de peroxyde d'hydrogène (\(n_{H_2O_2,initiale}\)).
- Pour les deux expériences, on recueille \(V_{O2} = 60.0 \text{ mL}\) de dioxygène. Calculer la quantité de matière de dioxygène (\(n_{O2}\)) correspondante.
- En utilisant l'équation de la réaction, déterminer la quantité de matière de peroxyde d'hydrogène (\(n_{H_2O_2,décomposé}\)) qui s'est décomposée pour produire cette quantité de dioxygène.
- Expérience 1 (sans catalyseur) : Calculer la vitesse moyenne de disparition du peroxyde d'hydrogène en mol/min.
- Expérience 2 (avec catalyseur) :
- Convertir la durée \(t_2 = 30.0 \text{ secondes}\) en minutes.
- Calculer la vitesse moyenne de disparition du peroxyde d'hydrogène en mol/min dans cette expérience.
- Comparer les vitesses moyennes obtenues dans les deux expériences. Quel est l'effet quantitatif du catalyseur sur la vitesse de cette réaction dans les conditions étudiées ?
- Le catalyseur (ions \(Fe^{3+}\)) modifie-t-il la quantité totale de dioxygène qui peut être produite à partir de la quantité initiale de peroxyde d'hydrogène ? Expliquer.
Correction : Impact des Catalyseurs sur les Réactions Chimiques
1. Calcul de la Masse Molaire Moléculaire du Peroxyde d'Hydrogène (\(M_{H_2O_2}\))
\(M(H_2O_2) = 2 \times M(H) + 2 \times M(O)\).
Données :
- \(M(H) = 1.0 \text{ g/mol}\)
- \(M(O) = 16.0 \text{ g/mol}\)
La masse molaire moléculaire du peroxyde d'hydrogène est \(M(H_2O_2) = 34.0 \text{ g/mol}\).
2. Calcul de la Masse Initiale de Peroxyde d'Hydrogène (\(m_{H_2O_2,initiale}\))
La concentration massique est \(C_m = m/V\), donc \(m = C_m \times V\). Le volume doit être en Litres.
Données :
- \(C_{m, H_2O_2} = 17.0 \text{ g/L}\)
- \(V_{sol} = 50.0 \text{ mL} = 0.0500 \text{ L}\)
La masse initiale de peroxyde d'hydrogène est \(m_{H_2O_2,initiale} = 0.850 \text{ g}\).
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3. Calcul de la Quantité de Matière Initiale de Peroxyde d'Hydrogène (\(n_{H_2O_2,initiale}\))
On utilise \(n = m/M\).
Données :
- \(m_{H_2O_2,initiale} = 0.850 \text{ g}\)
- \(M(H_2O_2) = 34.0 \text{ g/mol}\)
La quantité de matière initiale de peroxyde d'hydrogène est \(n_{H_2O_2,initiale} = 0.0250 \text{ mol}\).
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4. Quantité de Matière de Dioxygène (\(n_{O2}\)) Formée
On utilise la relation \(n = V/V_m\), où \(V\) doit être en Litres.
Données :
- \(V_{O2} = 60.0 \text{ mL} = 0.0600 \text{ L}\)
- \(V_m = 24.0 \text{ L/mol}\)
La quantité de matière de dioxygène formée est \(n_{O2} = 0.00250 \text{ mol}\).
5. Quantité de Matière de \(H_2O_2\) Décomposé
D'après l'équation : \(2 H_2O_2 \longrightarrow 2 H_2O + O_2\). Pour produire 1 mole de \(O_2\), il faut décomposer 2 moles de \(H_2O_2\). Donc, \(n_{H_2O_2,décomposé} = 2 \times n_{O2}\).
Donnée :
- \(n_{O2} = 0.00250 \text{ mol}\)
La quantité de matière de \(H_2O_2\) décomposé est \(n_{H_2O_2,décomposé} = 0.00500 \text{ mol}\).
6. Expérience 1 (sans catalyseur) : Vitesse Moyenne de Disparition de \(H_2O_2\)
Vitesse moyenne de disparition = \(\frac{\text{quantité de matière disparue}}{\text{durée}}\).
Données :
- \(n_{H_2O_2,décomposé} = 0.00500 \text{ mol}\)
- \(t_1 = 10.0 \text{ minutes}\)
La vitesse moyenne de disparition de \(H_2O_2\) sans catalyseur est \(5.00 \times 10^{-4} \text{ mol/min}\).
7. Expérience 2 (avec catalyseur)
a. Conversion de \(t_2\) en minutes
\(1 \text{ minute} = 60 \text{ secondes}\).
Donnée :
- \(t_2 = 30.0 \text{ s}\)
\(t_2 = 0.500 \text{ min}\).
b. Vitesse Moyenne de Disparition de \(H_2O_2\) avec Catalyseur
La quantité de \(H_2O_2\) décomposée est la même (\(0.00500 \text{ mol}\)) car le même volume de \(O_2\) est produit.
Données :
- \(n_{H_2O_2,décomposé} = 0.00500 \text{ mol}\)
- \(t_2 = 0.500 \text{ min}\)
La vitesse moyenne de disparition de \(H_2O_2\) avec catalyseur est \(1.00 \times 10^{-2} \text{ mol/min}\).
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8. Comparaison des Vitesses et Effet du Catalyseur
On compare \(v_{disp,1}\) et \(v_{disp,2}\).
Vitesse sans catalyseur : \(v_{disp,1} = 5.00 \times 10^{-4} \text{ mol/min}\)
Vitesse avec catalyseur : \(v_{disp,2} = 1.00 \times 10^{-2} \text{ mol/min} = 100 \times 10^{-4} \text{ mol/min}\)
Rapport des vitesses :
Le catalyseur a multiplié la vitesse moyenne de la réaction par 20 dans ces conditions.
La vitesse de réaction avec catalyseur (\(1.00 \times 10^{-2} \text{ mol/min}\)) est 20 fois plus grande que la vitesse sans catalyseur (\(5.00 \times 10^{-4} \text{ mol/min}\)). Le catalyseur augmente significativement la vitesse de la réaction.
9. Influence du Catalyseur sur la Quantité de Produits
Un catalyseur modifie la vitesse d'une réaction mais n'est pas consommé et ne modifie pas l'état d'équilibre final ni les quantités de produits formés si la réaction est totale.
Le catalyseur (ions \(Fe^{3+}\)) accélère la réaction de décomposition du peroxyde d'hydrogène mais n'est pas un réactif ni un produit de la réaction globale. Il n'est pas consommé et est régénéré à la fin du cycle catalytique.
Par conséquent, la quantité totale de dioxygène (ou d'eau) qui peut être produite à partir d'une quantité donnée de peroxyde d'hydrogène reste la même, que la réaction soit catalysée ou non. Le catalyseur permet simplement d'atteindre cette quantité maximale de produits plus rapidement.
Non, le catalyseur ne modifie pas la quantité totale de dioxygène qui peut être produite. Il augmente seulement la vitesse à laquelle cette quantité est produite.
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Glossaire des Termes Clés
Catalyseur :
Substance qui accélère une réaction chimique sans être elle-même consommée par la réaction. Il participe au mécanisme réactionnel mais est régénéré à la fin.
Vitesse de Réaction :
Rapidité avec laquelle les réactifs sont transformés en produits. Peut être exprimée comme la vitesse de disparition d'un réactif ou la vitesse de formation d'un produit (par exemple, en mol/L/s ou mol/s).
Énergie d'Activation :
Énergie minimale que les molécules de réactifs doivent posséder pour que la collision entre elles soit efficace et mène à la formation de produits. Un catalyseur abaisse cette énergie.
Peroxyde d'Hydrogène (\(H_2O_2\)) :
Composé chimique (eau oxygénée) qui peut se décomposer en eau et dioxygène.
Stœchiométrie :
Étude des relations quantitatives (en moles ou en masses) entre les réactifs et les produits dans une réaction chimique, basées sur l'équation chimique équilibrée.
Volume Molaire (\(V_m\)) :
Volume occupé par une mole d'un gaz dans des conditions de température et de pression données. Unité courante : L/mol.
Questions d'Ouverture ou de Réflexion
1. Citez d'autres exemples de catalyseurs utilisés dans la vie courante ou dans l'industrie (par exemple, les enzymes dans le corps humain, les pots catalytiques des voitures).
2. Comment un catalyseur modifie-t-il le "chemin réactionnel" pour abaisser l'énergie d'activation ?
3. La température a-t-elle un effet sur la vitesse d'une réaction chimique ? Si oui, comment cet effet se combine-t-il avec celui d'un catalyseur ?
4. Qu'est-ce qu'un inhibiteur de réaction ? Quel est son effet par rapport à un catalyseur ?
5. Pourquoi tous les réactifs ne sont-ils pas instantanément transformés en produits dès qu'ils sont mélangés, même si la réaction est thermodynamiquement favorable ? (Lien avec l'énergie d'activation).
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