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DS04 C
DS04 C
DS04 C
DS n°4
CINÉTIQUE CHIMIQUE – CHIMIE MOLÉCULAIRE
Correction Problème n°1 : Cinétique de récupération de l’or métallique (CCINP Chimie PC 2021)
Q1.
pH = pKa + log ([HCOO-]/[HCOOH])
si [HCOO-] > [HCOOH] alors pH > pKa = 3,8
si [HCOO-] < [HCOOH] alors pH < pKa = 3,8
HCOOH HCOO–
pH
3,8
Q2.
On se place au maximum d’absorption pour avoir la meilleure sensibilité. On peut se placer vers
310 nm.
La courbe (a) présente l’absorbance la plus élevée, la courbe (b) la moins élevée.
Les espèces qui absorbent sont des réactifs, leur concentration diminue au cours du temps donc
l’absorbance de la solution diminue aussi avec le temps.
La courbe (a) correspond à t0 = 0 min.
La courbe (b) correspond à t = 120 min.
Q3.
v = -dc/dt où c est la concentration du réactif qui absorbe (AuCl4– ou HCOOH)
A = ε.c.ℓ soit c = A/(ε.ℓ)
1 dA
donc v=−
ϵ. ℓ dt
Les auteurs tracent A en fonction du temps, puis détermine la pente de la tangente initiale ( dAdt ) 0
Q4.
On constate que dans les deux séries d’expériences, HCOOH est initialement introduit en excès par
rapport à AuCl4– (au moins un facteur 100 dans la série B, facteur 10 dans la série C).
On se place donc en dégénérescence de l’ordre vis à vis de HCOOH.
[HCOOH](t) = [HCOOH]0
v = k.[AuCl4−]p.[HCOOH]q
donne v = k.[HCOOH]0q.[AuCl4−]p
soit v = kobs.[AuCl4−]p avec kobs = k.[HCOOH]0q
05/01/2022 PC 2021/2022 – Lycée La Martinière Monplaisir
Cinétique chimique – Chimie moléculaire DS n°4 (3h) – 2 / 10
Q5.
v = kobs.[AuCl4−]p
On suit la vitesse initiale qui s’exprime par : v0 = kobs.[AuCl4−]0p
log v0 = log kobs + p.log[AuCl4–]0 (équation (1))
On trace log v0 en fonction de log [AuCl4–]0.
Les points sont bien alignés sur la droite de régression ce qui valide l’expression de la vitesse
initiale.
La pente de cette droite est égale à p d’après l’équation (1).
Q6.
kobs = k.[HCOOH]0q
ln kobs = ln k + q.ln[HCOOH]0 (équation (2))
On trace ln kobs en fonction de ln[HCOOH]0.
Les points sont bien alignés sur la droite de régression ce qui valide l’expression de k obs.
La pente de cette droite est égale à q d’après l’équation (2).
Une molécularité de 1+1/2 = 3/2 est incompatible avec une réaction modélisant un acte élémentaire.
En effet, la molécularité représente le nombre de molécules s’entrechoquant lors de l’acte élémentaire. Ce
nombre ne peut être demi-entier.
Q7.
Avec la série C pour laquelle la température varie à concentrations égales, il est possible de déterminer les
paramètres de la loi d’Arrhénius (A et Ea).
kobs = k.[HCOOH]0q
kobs = A.exp(-Ea/RT).[HCOOH]01/2
ln kobs = ln A + 1/2.ln[HCOOH]0 – Ea/R × 1/T
Le tracé de ln kobs en fonction de 1/T donne une droite de pente -E a/R et d’ordonnée à l’origine ln A +
1/2.ln[HCOOH]0
-Ea/R = -4,44.103
soit Ea = 36,9 kJ.mol-1
Correction Problème n°2 : Étude cinétique du traitement des gaz de dissolution du procédé Purex
(Mines-Ponts PC 2011)
Q1.
En additionnant les 3 actes élémentaires, on obtient l'équation-bilan :
2 I2 + NH2OH + H2O = HNO2 + 4 I– + 4 H+
Q2.
v = -d[I2]/dt
v = +va – v-a + vc
Les espèces INHOH et HNO n'étant pas détectables, on peut en conclure qu'elles sont très réactives et
leur appliquer l'approximation de l'état quas-stationnaire :
d[INHOH]/dt = 0 = va – v-a – vb va = v-a + vb
d[HNO]/dt = 0 = vb – vc vb = vc
v = 2.vb = 2.kb.[INHOH]
va = v-a + vb
ka.[I2].[NH2OH] = k-a.[INHOH].[I–].[H+] + 2.kb.[INHOH].[I–]
k a .[I 2 ].[ NH 2 OH]
[INHOH ]= − +
k −a .[ I ] .[H ]+k b
Q3.
[I–]0 = 2,6.10-7 mol·L-1
d'après le graphique, au minimum 1/[H+]0 = 10 soit [H+]0 = 10-1 mol·L-1 au maximum.
[I–]0.[H+]0 est de l'ordre de inférieur à 10-8.
Les étapes -a et b correspondent à des étapes de disparition de l'intermédiaire réactionnel INHOH, on peut
considérer que k-a et kb sont du même ordre de grandeur.
Q4.
2.k a . k b . K A .[I 2 ]0. [ + N H3 OH ]0
Il vient v 0=
k b .[ H + ]0
( )
+
[ I 2] 0. [ N H 3 OH ]0
soit v 0=2.k a . K A .
[H + ]0
Q5.
v0 2.k a . K A
+
= +
[I 2 ]0. [ N H3 OH ]0 [H ] 0
v0 1
Si ce modèle est correct le tracé de +
en fonction de +
doit être linéaire (de la
[I 2 ] 0. [ N H 3 OH] 0 [ H ]0
forme y = a.x) or il est affine (de la forme y = a.x + b).
Q6.
On remarque que les étapes 1, -1, 3 et 8 correspondent à celles du mécanisme 1.
Le bilan est :
2 I2 + NH2OH + H2O = HNO2 + 4 I– + 4 H+
Il y a donc production de H+ au fur et à mesure de la réaction.
Le réactif NH2OH restant va se protonner en +NH3OH.
Il convient donc d'envisager dans le mécanisme la réaction entre I 2 et +NH3OH d'où l'ajout des étapes
4, -4 et 6.
Q7.
v = -d[I2]/dt
v = v1 – v-1 + v4 – v-4 + v8
v = 2.k3.[INHOH] + 2.k6.[+INH2OH]
v1 = v3 + v-1
k1.[I2].[NH2OH] = k-1.[INHOH].[I-].[H+] + k3.[INHOH]
k .[I ]. [NH 2 OH]
[INHOH]= 1 2 − +
k −1 .[I ].[H ]+k 3
v4 = v6 + v-4
k4.[I2].[+NH3OH] = k-4.[+INH2OH].[I-].[H+] + k6.[+INH2OH]
k .[ I ] .[ + N H3 OH]
[ + I NH 2 OH]= 4 2 −
k −4 .[I ].[H + ]+ k 6
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Cinétique chimique – Chimie moléculaire DS n°4 (3h) – 5 / 10
+
2. k 3 . k 1 .[I 2 ]. [NH 2 OH] 2.k 6. k 4 .[I 2 ].[ N H3 OH]
v= − +
+ − +
k −1 .[I ].[H ]+ k 3 k −4 .[I ].[H ]+ k 6
Cela donne :
v 0=2. k 1 . [I 2] 0. [ NH2 OH ]0 +2. k 4 . [I 2 ]0. [ + N H3 OH] 0
+
NH3OH = NH2OH + H+
[ NH2 OH ]0. [ H + ]0
KA= +
[ N H 3 OH]0
+
K A .[ N H3 OH]0
[NH 2 OH] 0= +
[H ]0
Il vient :
+
K . [ N H3 OH ]0
v 0=2. k 1 . [I 2]0. A +
+2. k 4 .[I 2 ]0. [ + N H3 OH]0
[ H ]0
(
k K
v 0=2.[ I 2] 0. [ + N H 3 OH ]0 1. + A +k 4
[H ]0 )
Q8.
v0 2.k 1. K A
+ +
= +2.k 4
[ N H3 OH] 0 .[H ]0 [ H + ]0
k4 = 1,10 L.mol-1.s-1
k1 = 3,32.104 L.mol-1.s-1
On constate que k1 >> k4, NH2OH est bien plus réactif que +NH3OH vis à vis de I2.
H+ est bien un inhibiteur de la réaction, quand sa concentration augmente, le terme 2.k 1.KA/[H+]0 diminue
et le terme 2.k4 devient prédominant.
Q9.
Sur la figure 2, on constate que l'écart à la linéarité débute vers 1/[H +]0 = 40 L.mol-1, soit
[H+] = 0,025 mol·L-1.
Le modèle 2 est donc incorrect pour 1/[H +]0 < 1/40 L.mol-1soit [H+]0 > 0,025 mol·L-1 ce qui donne
pH < 1,6.
Pour des pH acides inférieurs à 1,6, il faut donc tenir compte d'une nouvelle espèce : H2OI+.
On estime donc le pKa du couple H2OI+/HOI à 1,6.
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Cinétique chimique – Chimie moléculaire DS n°4 (3h) – 6 / 10
Q10.
v = -d[I2]/dt
v = v1 – v-1 + v4 – v-4 – v7 + v8
v = 2.k3.[INHOH] + 2.k6.[+INH2OH]
v1 = v-1 + v2 + v3 donne :
H2O étant le solvant, on considère que [H2O] est contenu dans k2.
k1.[I2].[NH2OH] = k-1.[INHOH].[I-].[H+] + k2.[INHOH].[H+] + k3.[INHOH]
k 1. [I 2 ].[ NH 2 OH ]
[INHOH]=
k −1 .[ I − ] .[H + ]+k 2. [ H + ]+ k 3
v4 = v-4 + v5 + v6
H2O étant le solvant, on considère que [H2O] est contenu dans k5.
k4.[I2].[+NH3OH] = k-4.[+INH2OH].[I-].[H+] + k5.[+INH2OH].[H+] + k6.[+INH2OH]
+ k 4. [I 2 ].[ + N H3 OH]
[ I NH 2 OH]=
k −4 . [I − ]. [H + ]+ k 5. [H + ]+ k 6
+
K A .[ N H3 OH]0
En se plaçant à l'instant initial et en utilisant [NH 2 OH]0= +
, il vient :
[H ]0
( )
+
K A. [ N H3 OH]0
2.k1. [I 2 ]0.
[H + ]0 2.k 4. [I 2 ]0. [ + N H3 OH ]0
v 0= − + +
+ − + +
β. [I ]0. [H ]0 +α .[H ]0 +1 β. [I ]0. [H ]0 +α [H ]0 +1
2.k 1. K A
+ 2.k 4
v0 [H + ]0
=
[I 2 ]0. [ + N H 3 OH] 0 β .[I − ] 0. [ H + ] 0+ α . [H + ]0 +1
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Cinétique chimique – Chimie moléculaire DS n°4 (3h) – 7 / 10
Q11.
( 2.k 1. K A
+
[H ]0
+2.k 4
)
.
[I 2] 0. [ + N H3 OH ]0
v 0
=β .[I − ]0. [H + ]0 +α . [H + ]0 +1
[I 2 ]0. [ + N H3 OH] 0
( 0,0664
+
[H ]0
+ 2,20 .
) v0
=1+α .[H + ] 0+β. [H + ]0 .[I − ]0
+
( )
0,0664 [I ] [ N H3 OH] 0
Le tracé de +
+ 2,20 . 2 0. en fonction de [I-]0 donne une droite de pente β.[H+]0 et
[ H ]0 v0
d'ordonnée à l'origine 1+α.[H+]0.
En moyennant, on obtient :
α = 11 L.mol-1
β = 43.103 L2.mol-2
Q12.
Les courbes montrent que l'augmentation de la concentration des ions iodure diminue la vitesse de
la réaction.
Le mécanisme proposé permet de l'expliquer, la présence accrue d'ions iodure augmente les vitesses v-1
et v-4 des étapes indirectes -1 et -4 et donc diminuent la vitesse de disparition de I2.
Q13.
On a vu que H+ et I- étaient des inhibiteurs de la réaction.
Il faut donc éviter un milieu trop acide. D'après la figure 2, on remarque que la vitesse diminue fortement
pour pH < 1,6.
On se placera donc à un pH supérieur à 1,6, par exemple un pH de 3.
1.
H (Z = 1) : 1s1 il faut prendre la 1s de H
C (Z = 6) : 1s2 2s2 2p2 il faut prendre la 2s et les trois 2p de C
2.
Modèle quantique pour H
Pour un électron situé sur une couche n : En = -13,6/n2 (en eV)
Pour la 1s, n = 1 soit E(1sH) = -13,6 eV.
3.
Dans l'atome polyélectronique, pour un électron situé sur une sous-couche (n, ℓ) :
E(n,ℓ) = -13,6.Z*2/n2 (en eV)
avec Z* = Z – σ
Z : charge du noyau
σ : constante d'écran
Z* : charge effective, c'est la charge du noyau réellement perçue par l'électron (n,ℓ) considéré (qui
« voit » le noyau chargé Z écranté par les autres électrons).
4.
C 1s2 2s2 2p2
5.
Les énergies calculées par le modèle de Slater sont très différentes des valeurs expérimentales.
Par ailleurs, le modèle de Slater ne distingue pas les électrons 2s et 2p puisqu'il leur attribue la même
énergie. C'est le gros défaut de ce modèle.
6.
C 1s2 2s2 2p2
Électron 2s :
S2s = 1,7208 + 0,3601.(2 – 1 + 2) = 2,80
Z*(2s) = 6 – 2,80 = 3,20
E(2s) = -34,8 eV
Électron 2p :
S2p = 2,5787 + 0,3326.(2 – 1) = 2,91
Z*(2p) = 6 – 2,91 = 3,09
E(2p) = -32,5 eV
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Cinétique chimique – Chimie moléculaire DS n°4 (3h) – 9 / 10
Les valeurs calculées sont toujours très éloignées des valeurs expérimentales.
En revanche, ce modèle fait la distinction entre les niveaux 2s et 2p et place le niveau 2s sous les
niveaux 2p.
7.
Écart 1s/2s = 19,2-13,6 = 5,6 eV
Écart 1s/2p = 13,6-11,8 = 1,8 eV
L'écart 1s/2s est beaucoup plus grand que celui 1s/2p, on va donc négliger l'interaction 1s/2s.
z
σsp* y
ny nx
2px
1s 2pz 2py
σsp
ns
2s
H HC C
OM ns, ny et nz : non-liantes
OM σsp : liante
OM σsp* : antiliante
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Cinétique chimique – Chimie moléculaire DS n°4 (3h) – 10 / 10
8. E
σ3*
σ3
σ2*
π1* π2*
π1 π2
σ2
σ1*
σ1
9.
Voir diagramme d'OM.
10.
σ1 : C σ1* : E σ2 : J π1 : I π2 : B
π1* : D π2* : F σ2* : H σ3 : G σ3* : A
11.
Formule de Lewis :
H C C H