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Annales gratuites Bac S : Entretien des lentilles cornéennes

Le sujet  1997 - Bac S - Chimie - Exercice Imprimer le sujet
LE SUJET

Les lentilles de contact souples doivent être retirées quotidiennement. Leur entretien se fait en deux étapes : une décontamination par une solution de peroxyde d'hydrogène(ou eau oxygénée) pour éliminer les germes pathogènes, suivie de la décomposition du peroxyde d'hydrogène pour que la lentille puisse être remise, sans danger, au contact de l'œil.

On se propose d'étudier, en présence d'un catalyseur, la cinétique de la décomposition du peroxyde d'hydrogène contenu dans une solution utilisée pour la décontamination des lentilles de contact.

Données :

Etiquettes de la solution commerciale de décontamination :
- peroxyde d'hydrogène stabilisé : 3,10 g ;
- eau purifiée ajoutée pour arriver à un volume total de solution de 100 mL.
Masses molaires atomiques : M(H) = 1,0 g.mol-1,
M(O) = 16,0 g.mol-1
Volume molaire des gaz dans les conditions de l'expérience :Vm = 24 L.mol-1.


1. Préparation de la solution S :

1.1. Quelle est la concentration molaire en peroxyde d'hydrogèneH2O2 de la solution commerciale notée S0 ?

1.2. Décrire en quelques lignes le mode opératoire à suivre pour préparer, à partir de S0,
200 mL de solution S de concentration en peroxyde d'hydrogène Cs = 9,1.10-2 mol.L-1 .


2. Présentation des catalyseurs utilisés pourla décomposition du peroxyde d'hydrogène :

On utilise parallèlement deux catalyseurs :
- le platine solide, déposé sous forme de poudre sur un support de plastique ;
- une enzyme, la catalase, soluble en solution aqueuse.

2.1. Rappeler la définition d'un catalyseur.

2.2. Pourquoi qualifie-t-on d'hétérogène la catalyse par le platine ?


3. Etude cinétique de la réaction.

L'étude est menée à la température ambiante.

A l'instant t = 0, on introduit :
- le platine dans un échantillon de solution S, noté 1 ;
- la catalase dans un échantillon de solution S, noté 2.

Les volumes des deux échantillons sont égaux à Vs = 50 mL.

Dans chaque échantillon, le peroxyde d'hydrogènese décompose en eau et en dioxygène suivant l'équation-bilan :

On détermine à divers instant le volume de dioxygène dégagé et on en déduit la concentration en peroxyde d'hydrogène restant. On trace la courbe donnant la concentration en peroxyde d'hydrogène restant en fonction du temps,
On obtient les courbes des figures 1 et 2 de l'annexe.

3.1. Etablir la relation qui permet de calculer la concentration en peroxyde d'hydrogène restant à la date t en fonction de, volume de dioxygène dégagé à cette date.

3.2. Définir la vitesse volumique instantanée de disparition du peroxyde d'hydrogène à la date t. Comment la détermine-t-on expérimentalement ?
Pour les échantillons 1 et 2, déterminer graphiquement sa valeur à la date t = 0.
Quel facteur cinétique détermine l'évolution de la vitesse au cours du temps ?

3.3. On appelle temps de demi-réaction t1/2 la durée au bout de laquelle la concentration en peroxyde d'hydrogène est égale à la moitié de sa valeur initiale. Déterminer le temps de demi-réaction dans les deux cas. Quel est le mode opératoire conduisant à la décontamination la plus rapide ?

 

ANNEXE
LE CORRIGÉ

I - DONNEES DU PROBLEME :

m masse de peroxyde d'hydrogène dans la solution commerciale S0
M masse molaire de H2O2
V volume total de solution commerciale S0
Vs volume total de solution S
C0 concentration de S0
Cs concentration de S
v0 volume de S0 prélevé
n quantité de matière de H2O2 décomposée à l'instant t
n0 quantité de matière de H2O2 à t = 0


II - RESOLUTION LITTERALE :

1. Préparation de la solution S

1.1.


1.2. On prélève un volume v0 de solution commerciale avec une pipette jaugée de 20 mL que l'on introduit dans une fiole jaugée de 200 mL. On complète avec de l'eau distillée jusqu'au trait de jauge. On agite un peu pour homogénéiser.

2. Présentation des catalyseurs

2.1. Le catalyseur accélère une relation chimique mais il est régénéré à la fin de la réaction.

2.2. Le platine, solide, n'appartient pas à la même phase que les réactifs : c'est donc une catalyse hétérogène.


3. Etude cinétique

3.1.
n0 - n n quantité de matière dans le mélange à l'instant t

Concentration de H2O2 à t :




donc

3.2.

C'est la pente de la tangente à la courbe à l'instant t considéré.
La vitesse dépend de la concentration des réactifs dans le mélange : plus la réaction avance et moins il y a de réactifs, donc la vitesse diminue.

3.3. On repère sur les courbes le point correspondant à une concentration

L'échantillon 2 se décompose beaucoup plus rapidement.


III - RESULTATS NUMERIQUES

1.1.    C0 = 9,1.10-1 mol.L-1
1.2.    v0 = 0,020 L = 20 mL
2.1.    voir II
2.2.    voir II
3.1.    voir II
3.2.    v1 (t = 0) = 1,4 . 10-3 mol.L-1min-1 pour l'échantillon 1
          v2(t = 0) = 8,3 . 10-2 mol.L-1.min-1 pour l'échantillon 2
3.3.    échantillon 1 : t1/2 = 4 min environ
          échantillon 2 : t1/2 = 1 min environ

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