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LycéeJansondeSailly

Devoir surveillé de chimie n°1

Annéescolaire2015/2016

ClassedePCSI7

Duréedel’épreuve:2heures

Usagedescalculatrices:autorisé

N.B.Uneprésentationsoignéeestexigée;lesréponsesdoiventêtrejustifiées(avecconcision)etlesprincipauxrésultatsdoiventêtreencadrés.

Danstoutcedevoir,lesgazseronttoujoursconsidéréscommeparfaits.Laconstantedesgazparfaitsvaut:𝑅 = 8,31 J⋅mol!!⋅K!!.L’airpourraêtremodélisécommeunmélangededioxygèneetdediazote,defractionsmolairesrespectives𝑥O! = 0,20et𝑥N! = 0,80.

Lapressionatmosphériquedulaboratoireserapriseégaleà𝑝° = 1,00 baretlatempératureambianteestde𝜃 = 20℃.

Cedevoirestconstituédetroisexercicesindépendants.

I)GrillagedelagalèneLagalèneestleprincipalmineraideplomb.Elleestconstituéeessentiellementdesulfuredeplomb,espècechimiquedeformulePbSetdemassemolaire𝑀 = 239,3 g⋅mol!!.Lorsdutraitementdumineraidanslebutd’obtenirduplomb,onprocèdetoutd’abordàuneopérationappeléegrillage,dontl’équationderéactionestdonnéeci-dessous:

2PbS s + 𝛼O! g = 𝛽PbO s + 𝛾SO! g

Cetteopérationestréaliséeà700℃,températureàlaquellelaconstanted’équilibredelaréactionapourvaleur𝐾° = 3 ⋅ 10!!".

1) Rappelerlesrèglesdeconservationquedoiventrespecterlesnombresstœchiométriquesdansl’équationsymbolisantuneréactionchimique,etdonnerlesvaleursde𝛼,𝛽et𝛾.

Dansuneenceintedevolumeinitial𝑉! = 1,00 m!,onintroduitunemasse𝑚! = 100 gdegalènePbS,ainsiquedel’airsouspressionde1,00 baretàtempératurede700℃.Grâceàuneparoicoulissante,lapressionestmaintenueconstantedansl’enceintependanttoutelatransformation.Grâceàunthermostat,latempératureestmaintenueconstanteà700℃.

2) Commentqualifie-t-onunetransformationàpressionconstante?àtempératureconstante?

3) Montrerquelesystèmeprécédentn’estpasinitialementàl’équilibrechimiqueetdéterminersonsensd’évolution.

4) Déterminerl’étatfinaldusystème:nombredephasesenprésence,quantitédematièredesolide(s),pressionspartiellesdanslaphasegazeuse.

5) Quellemassemaximaledegalène𝑚!! peut-onespérerconvertirenoxydedeplombdansces

conditions?Enexcèsdegalène,observera-t-onladisparitiontotaledudioxygènegazeux?Sinon,quelleserasapressionpartiellerésiduelle?

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II)Dissolutionsdel’acidebenzoïqueL’acidebenzoïqueestuneespècechimiquedeformulesemi-développéeC!H!-COOH.Àl’étatsolide,ilseprésentesousformed’unepoudreblanche,dedensité𝑑 = 1,27,demassemolaire𝑀 = 122,1 g⋅mol!!.Sasolubilitédansl’eaupureestde2,9 g⋅L!!.Laréactionmodélisantlemieuxladissolutiondel’acidebenzoïquedansl’eaupureestlasuivante:

C!H!-COOH s = C!H!-COOH aq

Danscetexercice,latempératureestfixéeà20℃.

Dissolutiondansl’eaupure

Onsouhaitedissoudre𝑚! = 0,50 gd’acidebenzoïquedansdel’eaupure,demanièreàobtenir100 mLdesolution.

1) Montrerqu’ilestimpossibled’yparvenir.Sionessaienéanmoins,quelleseralaconcentrationenmol⋅L!!del’acidebenzoïquedanslasolutionobtenue?Commentqualifie-t-onunetellesolution?

2) Entestantlasolutionainsiobtenueavecunebandelettedepapier-pH,ons’aperçoitquelepHestd’environ3(àuneunitéprès).QuellepropriétédeC!H!-COOH aq est-elleainsimiseenévidence?Enrendrecompteparuneéquationderéaction,danslaquellel’ionH aq

! auraunnombrestœchiométriquede1.

3) Laréactionprécédenteapourconstanted’équilibre𝐾! = 10!!,!.Endéduire,paruncalculapprochéleplussimplepossible,laconcentrationdesionsH aq

! ,etdonclavaleurdupHquel’onmesureraitpourlasolutionavecunpH-mètre.

Dissolutiondansunesolutiondesoude

Lasoudeestunesolutionaqueuselimpided’hydroxydedesodium.

L’hydroxydedesodiumpurestunsolideioniquedeformulebruteNa(OH),demassemolaire40,0 g⋅mol!!,disponiblecommercialementsousformedepastillesblanchesdedensité2,1.Lesflaconspossèdentlepictogrammedesécuritésuivant:

H314:ProvoquedegravesbrûluresdelapeauetdeslésionsoculairesLadissolutiondespastillesdansl’eauestextrêmementexothermique.

4) Onsouhaiteréaliserunesolutionaqueusedesoudeà20%(teneurmassique).Proposerunprotocoleopératoirepermettantdepréparer100 gdesolution.

5) Sachantquelasolutionobtenueaunedensitéde1,22,endéduiresaconcentration𝐶d’hydroxydedesodiumenmol⋅L!!.

6) Laconcentrationprécédenteétanttropélevée,onsouhaiteprocéderàunedilution,afindepréparer𝑉! = 200 mLunesolutiondeconcentration0,200 mol⋅L!!.Proposerunprotocoledétaillépourréalisercetteopérationdedilution.Lasolutionobtenueestnotée(S).

Ladissolutionde𝑚! = 0,50 gd’acidebenzoïquedans100 mLd’eaupuren’ayantpuêtreréalisée,onsouhaiteréalisercettedissolutiondans100 mLdelasolution(S)desoudequel’onvientdepréparer.

Enprésencedesionshydroxyde,l’équationdedissolutiondel’acidebenzoïqueest:

C!H!-COOH s + HO aq! = C!H!-COO aq

! + H!O ℓ

Laconstanted’équilibredecetteréactionest𝐾° = 1,4 ⋅ 10!.

7) Montrerqueladissolutionde𝑚! = 0,50 gdans100 mLdesolution(S)estmaintenanttotale.DéterminerlaconcentrationdesionsHO!danslasolutionobtenue.EndéduiresonpH.

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III)Chlorured’hydrogèneetacidechlorhydriqueLechlorured’hydrogèneestuneespècechimiqueconstituéedemoléculesdeformuleHCl.Ondonnequelquescaractéristiquesdececorpspur:

Chlorured’hydrogèneHClMassemolaire:𝑀 = 36,46 g⋅mol!!Températured’ébullition:𝑇!" = −85℃Températuredefusion:𝑇!"# = −114℃Solubilitémassiquedansl’eausous1 bar:𝑠! = 720 g⋅L!!Pressiondevapeursaturanteà20℃ :𝑃!" = 4,19 MPaPointcritique: 51℃; 8,26 MPa Pointtriple:(160 K; 13,8kPa)

1) Tracerl’alluredudiagrammedephases 𝜃, 𝑝 duchlorured’hydrogèneetplacerlesdifférentspointsdecoordonnéesconnuesd’aprèslesdonnéesci-dessus.Survotrediagramme,𝜃désignelatempératureen℃et𝑝désignelapressionenbar.

N.B.Onplaceralesétatsphysiques«solide»,«liquide»,«gazeux»et«supercritique»dansleursdomainesdestabilitérespectifs.

2) Quelestl’étatphysiqueduchlorured’hydrogènepurdanslesconditionsdulaboratoire?Justifieràl’aidedudiagrammedephases.

Lechlorured’hydrogènegazeuxHCl g alapropriétédesedissoudretrèsrapidementdansl’eau(cequ’onpeutillustrerparlacélèbreexpérienceditedu«jetd’eau»).OnrappellequelesmoléculesHClsonttrèsréactiveslorsqu’ellessontsolvatéesparl’eauetqu’ellessontquasi-intégralementioniséesselonlaréactiond’équation:HCl aq = H aq

! + Cl aq! .

3) Endéduirel’équationdelaréactionmodélisantlemieuxladissolutionduchlorured’hydrogènegazeuxdansl’eau.

4) Déterminerlavaleurdelaconstanted’équilibredecetteréaction.

Ondisposemaintenantd’unvolume𝑉 = 350 mLd’unesolutionaqueused’acidechlorhydrique,c’est-à-direunesolutioncontenantlesionsH aq

! etCl aq! dontlaconcentrationvientd’êtretrèsprécisément

déterminéepartitrage,telleque H aq! = Cl aq

! = 3,50 mol⋅L!!.Onintroduitcettesolutiondansunflacondevolume𝑉! = 500 mL.Onadmetquel’airdulaboratoireestparfaitementseccejour-làetàlapressionde1,000 bar.Latempératuredulaboratoireestconstammentégaleà20℃.Lapressiondevapeursaturantedel’eauà20℃estde2,3 kPa.

5) Déterminerlavaleurverslaquellelapressiontendàévoluerdansleflaconsionattendsuffisammentlongtemps,celui-ciétantmaintenuhermétiquementfermé.