Numéro d’anonymat :

Concours Régional desOlympiades de la chimie 2005

- Région Aquitaine Nord -

CORRECTION

( barème sur 126 points )

Première partie : LES CIMENTS

I] Quelles sont les deux matières premières pour fabriquer un ciment ?2 points calcaire + argile(ou silice)

II] Après chauffage des matières premières broyées, on obtient le « clinker ».La température doit être de l’ordre de

500°C 1500°C 2500°C

1 point 1500°C

III] On ajoute au ciment du gypse pour réguler sa prise. Quelle est la formule du gypse ?1 point CaSO4

IV] Quels sont les trois principaux éléments chimiques qui constituent un ciment ?

3 points Ca , Si et O

Deuxième partie : METAUX

I] Comment se nomme le minerai dont on tire l’alumine, oxyde d’aluminium Al2O3 ?1 point la bauxite

II] Comment obtient-on industriellement l’aluminium à partir de l’alumine ?2 points par électrolyse de l’alumine fondue

III] EXERCICE  : AFFINAGE INDUSTRIEL DU CUIVRE

Afin d’obtenir du cuivre pur, on réalise l’électrolyse d’une solution de sulfate de cuivre avec deux électrodes en cuivre.L’anode est une plaque de cuivre impur de masse m = 300 kg et de 1,50 m2 de surface totale ;Les impuretés sont essentiellement constituées des métaux fer, cobalt et nickel.Le bain d’électrolyse est une solution à 100 g.L-1 de sulfate de cuivre, acidifiée par de l’acide sulfurique. Le courant d’électrolyse est de 15,0 kA ; la tension aux bornes de l’électrolyseur est de 0,6 V ; la durée de l’électrolyse est de 12 heures.La solution en fin d’électrolyse contient les cations H3O+, Cu2+, Ni2+ et Fe2+.DONNEES ; masses molaires en g.mol-1 : M(Cu) = 63,5 M(CuSO4) = 159,6 1 Faraday = 96 500 C

1) écrire les équations des réactions relatives à l’élément cuivre et qui se produisent à l’anode et à la cathode

2 points ANODE : Cu = Cu2+ + 2 e

CATHODE : Cu2+ + 2 e = Cu

2) calculer la concentration molaire en ions Cu2+ dans l’électrolyte.

1 point 0,626 mol/L3) En tenant compte de la composition du bain en fin d’électrolyse,

écrire les équations des autres réactions se produisant à l’anode.

3 points Oxydations : Fe = Fe2+ + 2 e Co = Co2+ + 2 e Ni = Ni2+ + 2 e

La concentration en ions Cu2+ du bain varie-t-elle au cours de l’électrolyse ? Justifier la réponse.2 points La concentration de Cu2+ diminue, car une seule réaction a lieu à la cathode alors que plusieurs réactions se produisent en même temps à l’anode.

4) Déterminer la masse de cuivre pur obtenue à la cathode.4 points Q = I x t = 15000 x 12 x 3600 = 6,48 . 108 CQ = n x F donc n = 6715 molN (Cu) = 3357 molM(Cu ) = 213 kg

5) calculer l’énergie consommée pour obtenir cette masse de cuivre pur.

2 points W = U x I x t = U x Q = 3,89 . 108 J

IV] Comment se nomme le four où l’on réalise la réduction du minerai de fer pour obtenir de la fonte ?1 point haut-fourneau

V] Comment nomme-t-on le liquide qui surnage au-dessus de la fonte au bas du four ? En citer une application industrielle.1 point le laitier utilisé en cimenterie

VI] Quelle différence dans leur composition y a-t-il entre une fonte et un acier ?1 point acier : % en carbone inférieur

VII] EXERCICE : NICKELAGE

pour nickeler une pièce métallique M, on réalise une électrolyse : la pièce est plongée dans un bain contenant des ions Ni2+, elle est connectée à un des pôles d’un générateur, l’autre pôle étant connecté à une pièce en nickel.

1) Compléter le schéma ci-dessous en précisant la nature des électrodes (M ou Ni), les demi-équations correspondant aux transformations électrochimiques aux électrodes, on précisera s’il s’agit d’une oxydation ou d’une réduction.

2 points électrode n° 1 :

électrode n°2 :

2) On réalise l’électrolyse pendant t = 5 h sous un courant d’intensité I = 500 mA. Calculer la masse de nickel déposé sur M au bout des cinq heures.

Données : charge élémentaire : e = 1,6.10-19 Cmasse atomique molaire du nickel : M = 58,7 g.mol-1

nombre d’Avogadro : N = 6,02.1023 mol-1

4 points q= I x t = 9000Cnb d’électrons ayant circulé = q/e = 6.63.1022 nb de mol d’électrons ayant circulé = 6,63.1022 /N = 0.093 mol = n nb de mol de Ni déposé = n/2masse de Ni = M x n/2 = 2,74 g

VIII] EXERCICE : COMPOSITION MASSIQUE D’UN ALLIAGE

On souhaite déterminer la composition massique d’un alliage nickel-zinc. Pour cela on attaque à l’acide sulfurique m = 2,5245 g d’alliage. Les métaux passent en solution sous forme ionique Ni2+ et Zn2+.On transvase la solution obtenue dans une fiole jaugée de Vf =1 L et on complète à l’eau distillée jusqu’au trait de jauge .Soit S cette solution.

électrode n°1  électrode n°2

1) On dose dans un premier tant les ions Ni2+ seuls par précipitation avec la diméthylglyoxime suivant la réaction :

Dans un bécher on verse Vs =10 mL de la solution à doser, de l’eau et on chauffe. On ajoute ensuite 20 mL de solution alcoolique de diméthylglyoxime à 10 g.L-1. On laisse le précipité se former et le milieu refroidir puis on lave le précipité sur un filtre en verre fritté préalablement taré de masse m1 = 33,8254 g .On place ensuite le filtre avec le précipité à l’étuve et on pèse le filtre refroidi, sa masse est alors m2 = 33,8746 g.Données : Masse molaire atomique du nickel : MNi = 58,7 g.mol-1

Masse molaire de la diméthylglyoxime = Md = 116,1 g.mol-1

Masse molaire du précipité : M = 288,91 g.mol-1

1a) Avec quoi prélève-t-on les 10 mL de solution S ? Justifier.1 point

1b) Avec quoi prélève-t-on les 20 mL de solution de diméthylglyoxime ? Justifier.1 point

1c) Quelle est la masse de précipité obtenue ?1 point

mp = m2 – m1 = 0,0492

1d) Quelle quantité de matière de nickel contient-il ?1 point

n de Ni = n précipité = mp/M = 0,170.10-3 mol contenu dans Vs

1e) Calculer la concentration molaire de S en nickel CNi.1 point n *Vf/Vs = 0.0170. mol dans Vf soit CNi = 0,0170 mol/L

1f) Montrer que le nickel était bien le réactif en défaut pour cette réaction de précipitation.2 points

nombre de mole de DMG introduite = (10/116,1)*0.020 = 1,72.10-3 mol >> n de NiNi est bien en défaut .On a introduit la DMG en large excés pour être sûr de précipiter et donc doser tout le nickel.

1g) Quelle masse de nickel était contenue dans l’échantillon d’alliage attaqué ?1 point

mNi = 0,0170 x MNi = 1,00 g

1h) Quel est le pourcentage en masse de nickel dans l’alliage ?1 point

% Ni = mNi /m = ½,5245 = 39,6 %

2) On dose ensuite les ions Ni2+ et les ions Zn2+ par complexométrie en utilisant comme solution titrante l’EDTA qu’on notera H2Y2- de concentration Ce = 0,0500 mol.L-1.On dose Vs’= 20 mL de solution S et on obtient un volume équivalent

Ve = 14,75 mL.

Données : Masse molaire atomique du zinc = 65,4 g.mol-1

2a) Ecrire l’équation de réaction de dosage des ions Zn 2+ par H2Y2-.1 point Zn 2+ par H2Y2- = ZnY2- + 2H+

2b) Ecrire l’équation de réaction de dosage des ions Ni 2+ par H2Y2-.1 point Ni 2+ par H2Y2- = NiY2- + 2H+

2c) Ecrire la relation entre les quantité de matière n(Ni) , n(Zn) et n( H2Y2-).à l’équivalence.

1 point nNi + nZn = n H2Y2-.

2d) Ecrire la relation entre la concentration CZn dans S , CNi dans S , Ce , Vs’ et Ve.1 point (CZn + CNi ) Vs’ = Ce Ve. donc Czn = (CeVe/Vs’) - CNi

2e) Application numérique : déterminer la concentration en zinc dans S 1 point Czn = (0,0500 *14,75/20) -0,0170 =0,0199 mol/L

2f) En déduire le pourcentage massique de Zn dans l’alliage.1 point mZn = CZn MZn = 1,30 g donc % de Zn = 1,30/2,5245 = 51,5 %

Troisième partie : POLYMERES

I] TP Phénol- Formol

1) Avec quels réactifs fabrique-t-on la bakélite ? Citer une utilisation de cette résine.2 points

Réactifs : Phénol - formol ;Application : isolant thermique ou électrique

2) Qu’est-ce qu’une dismutation en oxydoréduction? Donner un exemple. 2 points

C’est une réaction dans laquelle le même composé chimique est à la fois oxydant et réducteur.Ex : diiode iodure + iodate

3) Qu’appelle-t-on un dosage en retour ? Quel est le rôle du thiosulfate de potassium

dans le dosage du formol ?2 points

C’est un dosage en deux étapes : - on réalise une réaction entre le produit de concentration inconnue

avec un excès d'un réactif - on dose l'excès de ce réactif ce qui permet de remonter à la

concentration en produit inconnu.Le thiosulfate permet de doser le diiode provenant des ions iodates qui n’ont pas réagi.

4) Quel est le rôle de l’empois d’amidon dans le dosage du diode ? Quelle couleur observe-t-on ?

2 points L’empois d’amidon indique la présence de diiode dans le milieu réactionnelIl donne avec le diiode une couleur violet foncé

5) Quelle est la signification de ce pictogramme ? Quelles précautions doit-on prendre ?

2 points Ce pictogramme signale les produits corrosifsIl faut utiliser des lunettes, des gants et une blouse

6) Quel élément de verrerie doit-on utiliser pour prélever avec précision 20 mL de solution ?

1 point On utilise une pipette jaugée et une propipette

7) Quelle est le formule chimique du formol ? Identifier sa fonction et donner son nom systématique.3 points

Nom : CH2=O  Fonction : aldéhyde Nom systématique : méthanal

8) A partir des couples redox suivants Br2 / Br - et Br2 / BrO3-, retrouver

l’équation de la réaction du bromure de potassium sur le bromate

3 points

( 2 Br - Br2 + 2 e- ) x5

( BrO3- + 6 H+ + 5 e- Br2 + 3 H2O ) x2

10 Br - + 2 BrO3- +

12 H+ 6 Br2 + 6 H2O

5 Br - + BrO3- + 6 H+ 3 Br2 + 3 H2O

II] EXERCICE  : Polymère obtenu par polyaddition

La composition centésimale massique d’un polymère obtenu par polyaddition est : a = 73,2 % de chlore, b = 24,8 % de carbone et c = 2% d’hydrogène.La masse molaire moyenne du polymère est M = 121103g.mol-1 et un degré de polymérisation moyen n = 1250.On donne les masses atomiques suivante  :H : 1 ;C : 12 ; Cl : 35,5

1) Déterminer la formule brute du monomère .3 points

masse molaire du monomère = M/n = 96,8 g/molformule CxHyClzx= a 96,8/12 =2y = 96,8*0,02/1 =2z=96,8*0,732/35,5=2soit C2H2Cl2

2) Représenter les formules développées de tous les isomères possibles du monomère et préciser leur nom en nomenclature systématique.

3 points

(E)-1,2-dichloroéthylène

(Z)-1,2-dichloroéthylène

1,1-dichloroéthylène

3) La polyaddition est radicalaire. Rappeler les trois étapes d’une telle polymérisation et les expliciter pour ce polymère (on choisira un des monomères)

4 points

initiation : formation de radicaux libres : ROOR 2 RO°

propagation : RO° + CH2= CCl2 ROCH2-CH2°

ROCH2-CH2° + CH2= CCl2 ROCH2-CH2-CH2-CH2° etc

terminaison : R° + R’° RR’

III] Réticulation

1) Les résines urée-formol sont des polymères réticulés utilisées dans les matériaux en bois aglomérés.

1a) Expliquer le terme « réticulé »2 points Formation d’un polymère 3D par raccordement des chaînes de polymères

1b) Donner les formules développées des deux monomères utilisés.2 points

o=c(NH2)2 et HCOH développées

1c) Les résines urée-formol sont entre autres responsables de la présence dans l’air des habitations de COV en petites quantités. L’OMS recommande les teneurs en ces polluants à ne pas dépasser par unité de volume d’air. Expliciter les sigles :

2 points

COV : Composé Organique VolatilOMS : Organisation Mondiale de la Santé

2) Dans les conditions ambiantes, les corps ci-dessous sont à l’état liquide dans les conditions ambiantes. Entourer ceux qui présentent une association intermoléculaire par liaison hydrogène :

2 points

- Cyclohexane

- Acide fluorhydrique

- Diéthyléther ( CH3-CH2-O-CH2-CH3 )

- Méthanol

3) Un polymère réticulé est déformable lorsqu’il est lentement étiré. L’échantillon se casse en deux lorsqu’on le sollicite brusquement. Les deux morceaux obtenus se recollent facilement.Quel type de liaisons l’agent réticulant crée-t-il entre les chaînes de polymère ?

2 points

Liaisons physiques : liaisons hydrogène

4)Quel est le nombre minimal de groupes fonctionnels dans l’unité monomère permettant de donner naissance à un réseau réticulé en trois dimensions ?

1 point

3

5) Expliquer pourquoi un polymère thermodurcissable ne peut pas être recyclé

facilement.

1 pointImpossible de le déformer ou de le faire fondre en chauffant

IV] Culture générale

1)Associer à chaque personnage le domaine qui le concerne.

1. Berthelot2. Goodyear3. Perkin4. Faraday5. Vicat6. Volta

1-d,2-f,3-e,4-a,5-b,6-c

6 points

a) électrolysesb) cimentsc) pilesd) synthèse des esterse) colorantsf) caoutchouc

2) Citer trois types d’adjuvants souvent utilisé pour modifier les propriété d’un

polymère.3 points

Plastifiant , colorant , ignifugeant …

3) Représenter le styrène et le polystyrène.

2 points

4) Donner le nom d’un polymère transparent utilisable pour fabriquer des vitres

incassables.1 point

Polyméthacrylate de méthyle ( PMMA )

5) En quelle année fut mise au point la synthèse du nylon 6,6 ? 1 point

1882 1919 1939 1972

6) Donner un exemple de matériau alliant matière plastique et matériau traditionnel.

1 point

Fibres de verres noyées dans résine polyester

Quatrième partie : COLORANTS TEXTILES

I] Préparation du sel de diazonium1) Donner la formule de la paranitroaniline

2 points

2) Quelle condition doit-on respecter lors de la préparation du sel de

diazonium ?1 point

On ne doit pas dépasser la température de 10 ° C

3) Entourer la formule correcte du nitrite de sodium :

NaHNO2

NaNO2

NaNO3

NaHNO3

NaNO2

1 point

II] Préparation de la solution basique de β-naphtol.1) A quelle famille de composés organiques appartient le β-

naphtol ?1 point

Famille des alcools

2) Pourquoi ne place-t-on pas un réfrigérant au dessus du bicol ?

2 points Formation de vapeur d’eau : il n’est pas nécessaire de condenser ces vapeurs.

III] Préparation du rouge para1. Quels sont les réactifs qui permettent d’obtenir le rouge

para ?2 points

sel de diazonium et paranitroaniline

paranitroaniline et β-naphtol

sel de diazonium et β-naphtol

nitrite de sodium et β-naphtolsel de diazonium et β-naphtol

2) Pourquoi le rouge para est une substance colorée ?2 points

Molécule qui possède un grand nombre d’électrons délocalisés et absorbe dans le visible.

3) Quelle technique pourrait-on utiliser pour purifier le produit obtenu ?

1 pointon peut réaliser une recristallisation

IV] Point de fusion du rouge para.1) Avec quel appareil peut-on obtenir le point de fusion du

rouge para ?1 point

Banc köfler

2) Décrire le fonctionnement de cet appareil.2 points

Plaque chauffante dont la température croît de 50 à 250 ° C

V] Spectre d’absorption

1) Quelle est la radiation absorbée par le rouge para ? 580 nm 480 nm 380 nm 680 nm

480 nm 1 point

2) Le E131 est un colorant utilisé dans les boissons. Il absorbe dans l’orangé. Quelle est la couleur de ce colorant ?

vert bleu violet

bleu 1 point

3) Loi de Beer-Lambert : A = εlc3a) Quelle est l’unité de ε ?

1 point L.mol-1.cm-1

3b) Que représente A ?1 point Absorbance

3c) De quelle(s) grandeur(s) dépend ε ?1 point de la longueur d’onde

4)Pourquoi faut-il faire un spectre sans échantillon (autozéro) avant de faire celui de l’échantillon étudié ?

1 point cela permet d’avoir comme référence le solvant utilisé.

VI] Les colorants textiles1) Quel est l’effet d’un chromophore dans une molécule

colorée ?1 point Le chromophore a une influence sur la

couleur du colorant.

2) Quel est le tissu qui a le plus d’affinité avec le rouge-para ?1 point le coton

3) Quelle est la différence entre un colorant dispersé et un colorant

développé ?2 points

colorant développé : colorant synthétisé dans les fibres

colorant dispersé : colorant utilisé en suspension

- FIN -