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Devoir surveillé – Cinétique chimique

Chapitre 5 | Terminale STL — spécialité Physique-chimie et mathématiques | Physique-Chimie

Dernière mise à jour : 21 octobre 2026

Durée : 1 h — Barème : /20 — Calculatrice autorisée

Nom : Prénom : Classe : Date : Note : / 20

Les réponses doivent être justifiées. Les unités et le nombre de chiffres significatifs sont notés. On prendra \(\ln 2\approx0{,}69\).

Exercice 1 — Définitions et loi de vitesse (6 points)

1. Donner la définition de la vitesse de disparition \(v\) d'un réactif en fonction de sa concentration \(C(t)\). Expliquer le signe. (1,5 pt)

2. On écrit la loi de vitesse \(v=k\,C^{\,n}\). Que représentent \(n\) et \(k\) ? De quoi \(k\) dépend-il ? (1,5 pt)

3. Donner l'unité de \(k\) pour l'ordre 0 puis pour l'ordre 1, en justifiant par l'homogénéité de \(v\). (1,5 pt)

4. Une réaction d'ordre 1 a \(k=3{,}0\times10^{-2}\ \text{s}^{-1}\). Calculer \(v\) à l'instant où \(C=0{,}20\ \text{mol·L}^{-1}\). (1,5 pt)

1. \(v=-\dfrac{dC}{dt}\). Comme \(C\) diminue, \(\frac{dC}{dt}<0\) ; le signe « − » rend \(v\) positive. (1,5 pt)

2. \(n\) = ordre de la réaction (par rapport au réactif) ; \(k\) = constante de vitesse. \(k\) dépend de la réaction et de la température, pas des concentrations. (1,5 pt)

3. Ordre 0 : \(v=k\) → \(k\) en mol·L\(^{-1}\)·s\(^{-1}\). Ordre 1 : \(v=kC\) → \(k=v/C\) en s\(^{-1}\). (1,5 pt)

4. \(v=k\,C=3{,}0\times10^{-2}\times0{,}20=6{,}0\times10^{-3}\ \text{mol·L}^{-1}\text{·s}^{-1}\). (1,5 pt)

Exercice 2 — Réaction d'ordre 1 suivie par spectrophotométrie (8 points)

On suit la disparition d'une espèce colorée par spectrophotométrie. La loi de Beer-Lambert \(A=\varepsilon\ell C\) permet de remonter à la concentration \(C\) du réactif :

\(t\) (s)04080120160
\(C\) (mmol·L\(^{-1}\))64321684

1. Justifier que suivre l'absorbance \(A\) revient à suivre la concentration \(C\). (1,5 pt)

2. Montrer que la réaction n'est pas d'ordre 0. (1,5 pt)

3. Que constate-t-on sur la division par 2 de \(C\) ? En déduire l'ordre et le temps de demi-réaction \(t_{1/2}\). (2,5 pts)

4. Calculer la constante de vitesse \(k\) (en s\(^{-1}\)). (1,5 pt)

5. Écrire la loi \(C(t)\) et prévoir \(C\) à \(t=200\) s. (1 pt)

1. \(A=\varepsilon\ell C\) : \(A\) proportionnelle à \(C\). Suivre \(A(t)\) revient à suivre \(C(t)\). (1,5 pt)

2. Baisses successives : \(-32,-16,-8,-4\) : non constantes → pas de droite \(C\) vs \(t\) → pas d'ordre 0. (1,5 pt)

3. \(C\) est divisée par 2 toutes les 40 s (64→32→16→8→4), à intervalles constants → ordre 1, et \(t_{1/2}=40\ \text{s}\). (2,5 pts)

4. \(k=\dfrac{\ln 2}{t_{1/2}}=\dfrac{0{,}69}{40}\approx1{,}7\times10^{-2}\ \text{s}^{-1}\). (1,5 pt)

5. \(C(t)=64\,e^{-1{,}7\times10^{-2}\,t}\) (mmol·L\(^{-1}\)). À \(t=200\ \text{s}=5\,t_{1/2}\), \(C\) divisée par \(2^5=32\) : \(C=64/32=2\ \text{mmol·L}^{-1}\). (1 pt)

Exercice 3 — Réaction d'ordre 0 (6 points)

Une réaction d'ordre 0 est suivie ; on relève la concentration du réactif :

\(t\) (s)0100200300
\(C\) (mol·L\(^{-1}\))0,900,720,540,36

1. Vérifier que \(C\) vs \(t\) est une droite (justifier). (1,5 pt)

2. Déterminer la constante de vitesse \(k\) à partir de la pente. Préciser l'unité. (2 pts)

3. Écrire la loi \(C(t)\). (1 pt)

4. Calculer le temps de demi-réaction \(t_{1/2}\). Dépend-il de \(C_0\) ? (1,5 pt)

1. Baisses successives : \(-0{,}18\) toutes les 100 s (0,90→0,72→0,54→0,36) : baisse constante → \(C(t)\) est une droite. (1,5 pt)

2. Pente \(=\dfrac{0{,}36-0{,}90}{300-0}=\dfrac{-0{,}54}{300}=-1{,}8\times10^{-3}\). Donc \(k=-\text{pente}=1{,}8\times10^{-3}\ \text{mol·L}^{-1}\text{·s}^{-1}\). (2 pts)

3. \(C(t)=0{,}90-1{,}8\times10^{-3}\,t\). (1 pt)

4. \(t_{1/2}=\dfrac{C_0}{2k}=\dfrac{0{,}90}{2\times1{,}8\times10^{-3}}=\dfrac{0{,}90}{3{,}6\times10^{-3}}=250\ \text{s}\). À l'ordre 0, \(t_{1/2}\) dépend de \(C_0\). (1,5 pt)