L’effet d’un Catalyseur sur la Réaction Chimique

Comprendre L’effet d’un Catalyseur sur la Réaction Chimique

Dans une expérience de laboratoire, vous avez pour mission d’étudier l’effet d’un catalyseur sur la vitesse d’une réaction chimique.

La réaction étudiée est la décomposition de l’eau oxygénée (H₂O₂) en eau (H₂O) et dioxygène (O₂). La réaction peut s’écrire comme suit:

\[\text{2H}_2\text{O}_2 (\text{l}) \rightarrow \text{2H}_2\text{O} (\text{l}) + \text{O}_2 (\text{g})\]

On ajoute un catalyseur, le dioxyde de manganèse (\(\text{MnO}_2\)), pour accélérer la réaction sans que le catalyseur ne soit consommé dans la réaction.

Données:

• Volume initial d’eau oxygénée (H₂O₂) : 100 mL
• Concentration initiale d’eau oxygénée (H₂O₂) : 1,5 M
• La réaction sans catalyseur prend 300 secondes pour consommer 50% de l’H₂O₂.
• La réaction avec catalyseur prend 60 secondes pour consommer 50% de l’H₂O₂.

Questions:

1. Calculez la quantité de matière initiale d’eau oxygénée présente avant le début de la réaction.

2. Calculez la quantité de matière d’eau oxygénée restante après 50% de la réaction sans catalyseur.

3. En utilisant le ratio des vitesses de réaction (sans vs avec catalyseur), déterminez combien de fois le catalyseur a accéléré la réaction.

4. Si 28 mL de dioxygène (O₂) sont produits après 60 secondes en présence du catalyseur, calculez le volume de dioxygène produit à la fin de la réaction. Considérez que la réaction se déroule dans des conditions de température et de pression constantes.

5. Expliquez le rôle du catalyseur (\(\text{MnO}_2\)) dans cette réaction et pourquoi il n’est pas consommé.

Correction : L’effet d’un Catalyseur sur la Réaction Chimique

1. Calcul de la quantité de matière initiale d’eau oxygénée (H\(_2\)O\(_2\))

La formule pour calculer la quantité de matière (\(n\)) est :

\[n = C \cdot V\]

où \(C\) est la concentration en mol/L et \(V\) est le volume en litres.

• Concentration initiale d’H\(_2\)O\(_2\) : \(C = 1,5\, \text{mol/L}\)
• Volume initial d’H\(_2\)O\(_2\) : \(100\, \text{mL} = 0,1\, \text{L}\)

Substituons les valeurs :

\[n_{\text{initial}} = 1,5\, \text{mol/L} \times 0,1\, \text{L} \] \[n_{\text{initial}} = 0,15\, \text{mol}\]

2. Quantité de matière d’eau oxygénée restante après 50% de la réaction sans catalyseur

Si 50% de l’H\(_2\)O\(_2\) réagit, alors 50% reste :

\[n_{\text{restante}} = 0,15\, \text{mol} \times 50\% \] \[n_{\text{restante}} = 0,075\, \text{mol}\]

3. Ratio des vitesses de réaction

• Temps sans catalyseur : \(t_{\text{sans}} = 300\, \text{secondes}\)
• Temps avec catalyseur : \(t_{\text{avec}} = 60\, \text{secondes}\)

Le ratio des vitesses est inversement proportionnel au temps pris pour la réaction :

\[\text{Ratio} = \frac{t_{\text{sans}}}{t_{\text{avec}}} \] \[\text{Ratio} = \frac{300}{60} = 5\]

Cela signifie que le catalyseur a accéléré la réaction 5 fois par rapport à la réaction sans catalyseur.

4. Volume de dioxygène (O\(_2\)) produit

Sachant que 28 mL d’O\(_2\) sont produits après 60 secondes et que cela représente 50% de la réaction, le volume total à la fin serait le double puisque la réaction a complètement lieu, produisant 100% de l’O\(_2\) :

\[V_{\text{O}_2 \, \text{total}} = 28\, \text{mL} \times 2 \] \[V_{\text{O}_2 \, \text{total}} = 56\, \text{mL}\]

5. Rôle du catalyseur (MnO\(_2\))

Le catalyseur, le dioxyde de manganèse (MnO\(_2\)), augmente la vitesse de réaction en fournissant une voie réactionnelle alternative avec une énergie d’activation plus basse.

Cela permet à la réaction de se produire plus rapidement. Le catalyseur n’est pas consommé dans la réaction, ce qui signifie qu’il peut être récupéré inchangé à la fin de la réaction.

Résumé des Résultats :

1. La quantité de matière initiale d’H₂O₂ est de 0,15 mol.
2. Après 50% de la réaction sans catalyseur, il reste 0,075 mol d’H₂O₂.
3. Le catalyseur a accéléré la réaction 5 fois plus vite.
4. Le volume total de dioxygène produit à la fin de la réaction est de 56 mL.
5. Le catalyseur (MnO\(_2\)) facilite la réaction en diminuant l’énergie d’activation nécessaire, sans être consommé.

L’effet d’un Catalyseur sur la Réaction Chimique

D’autres exercices de chimie seconde:

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