L'eau de Javel : électrolyse, cinétique et conservation

Cet exercice de chimie de 6,5 points, prévu pour environ 1 h 18, part de l'étiquette d'un berlingot d'eau de Javel. Il étudie trois parties indépendantes : la préparation du dichlore par électrolyse, la cinétique de la décomposition de l'eau de Javel catalysée par les ions cobalt, puis la conservation du produit.

Préparation du dichlore par électrolyse

Les ions chlorure cèdent des électrons : ils sont oxydés selon 2 Cl^- = Cl₂ + 2 e^-. L'électrode où se produit une oxydation est, par définition, l'anode. Pour la quantité d'électrons, la demi-équation donne n_e = 2 n(Cl₂) = 1,05 mol. La charge s'écrit de deux façons, Q = n_eF et Q = IΔt, d'où I = 18,8 A, soit environ 19 A. Le piège est la durée : 90 minutes doivent être converties en 5 400 s.

Catalyse et dilution

Un catalyseur accélère une réaction sans figurer dans son équation, et il est régénéré en fin de transformation. Pour préparer 100 mL d'une solution diluée quatre fois, la conservation de la quantité de soluté donne un prélèvement de 25,0 mL : il faut une pipette jaugée de 25,0 mL et une fiole jaugée de 100 mL, soit le lot 4. Une éprouvette graduée est trop peu précise pour préparer une solution de concentration connue.

Suivi cinétique par mesure de pression

Le dioxygène produit fait monter la pression dans un ballon fermé. Avec un tableau d'évolution, n(O₂) = x, et la loi des gaz parfaits conduit à x = 5,0 × 10^-7 ΔP. Attention aux unités : le volume doit être exprimé en m³ et la pression en Pa. Sur la figure 3, l'asymptote donne ΔP_f = 40 000 Pa, d'où x_f = 2,0 × 10^-2 mol.

Le temps de demi-réaction est la durée au bout de laquelle l'avancement atteint la moitié de sa valeur finale. Comme x est proportionnel à ΔP, on cherche ΔP = 20 000 Pa sur la courbe : t_1/2 ≈ 65 s. Le piège est de prendre la moitié de la durée totale ou la moitié de l'axe des temps. La vitesse volumique s'exprime en mol·L^-1·s^-1 et s'écrit v_r = 5,0 × 10^-6 d(ΔP)/dt, avec le volume de la solution, 0,100 L, et non celui du ballon. Les tangentes à la courbe sont de moins en moins inclinées : la vitesse diminue au cours du temps, car la concentration du réactif, facteur cinétique, diminue.

Conservation de l'eau de Javel

Un litre d'eau de Javel à 48° contient 2,10 mol de dichlore, donc 2,10 mol d'ions hypochlorite : c₀ = 2,10 mol·L^-1, puis c₁ = 0,525 mol·L^-1 et n₁ = 5,25 × 10^-2 mol dans 100 mL. Après 10 minutes, ΔP = 40 000 Pa : la réaction consomme 2x mol d'ions hypochlorite, et il en reste environ 1,3 × 10^-2 mol. Oublier le coefficient 2 est l'erreur la plus fréquente. En dix minutes, environ 76 % des ions ont disparu en présence du catalyseur. Sans catalyseur la décomposition est très lente, mais elle a lieu : l'eau de Javel concentrée doit être utilisée ou diluée rapidement après l'achat.

Conseils

Dans un suivi par mesure de pression, écrivez toujours la relation entre x et ΔP avant toute lecture graphique. Faites apparaître les constructions sur l'annexe, et vérifiez la cohérence des résultats : la quantité restante ne peut pas être négative.