Devoir surveillé 2015/2016 de chimie n°1 · Page 1 sur 3 Lycée Janson de Sailly Devoir...
3
Page 1 sur 3 Lycée Janson de Sailly Devoir surveillé de chimie n°1 Année scolaire 2015/2016 Classe de PCSI 7 Durée de l’épreuve : 2 heures Usage des calculatrices : autorisé N.B. Une présentation soignée est exigée ; les réponses doivent être justifiées (avec concision) et les principaux résultats doivent être encadrés. Dans tout ce devoir, les gaz seront toujours considérés comme parfaits. La constante des gaz parfaits vaut : = 8,31 J⋅mol !! ⋅K !! . L’air pourra être modélisé comme un mélange de dioxygène et de diazote, de fractions molaires respectives O ! = 0,20 et N ! = 0,80. La pression atmosphérique du laboratoire sera prise égale à ° = 1,00 bar et la température ambiante est de = 20℃. Ce devoir est constitué de trois exercices indépendants. I) Grillage de la galène La galène est le principal minerai de plomb. Elle est constituée essentiellement de sulfure de plomb, espèce chimique de formule PbS et de masse molaire = 239,3 g⋅mol !! . Lors du traitement du minerai dans le but d’obtenir du plomb, on procède tout d’abord à une opération appelée grillage, dont l’équation de réaction est donnée ci-dessous : 2PbS s + O ! g = PbO s + SO ! g Cette opération est réalisée à 700℃, température à laquelle la constante d’équilibre de la réaction a pour valeur ° = 3 ⋅ 10 !!" . 1) Rappeler les règles de conservation que doivent respecter les nombres stœchiométriques dans l’équation symbolisant une réaction chimique, et donner les valeurs de , et . Dans une enceinte de volume initial ! = 1,00 m ! , on introduit une masse ! = 100 g de galène PbS, ainsi que de l’air sous pression de 1,00 bar et à température de 700℃. Grâce à une paroi coulissante, la pression est maintenue constante dans l’enceinte pendant toute la transformation. Grâce à un thermostat, la température est maintenue constante à 700℃. 2) Comment qualifie-t-on une transformation à pression constante ? à température constante ? 3) Montrer que le système précédent n’est pas initialement à l’équilibre chimique et déterminer son sens d’évolution. 4) Déterminer l’état final du système : nombre de phases en présence, quantité de matière de solide(s), pressions partielles dans la phase gazeuse. 5) Quelle masse maximale de galène ! ! peut-on espérer convertir en oxyde de plomb dans ces conditions ? En excès de galène, observera-t-on la disparition totale du dioxygène gazeux ? Sinon, quelle sera sa pression partielle résiduelle ?
Transcript of Devoir surveillé 2015/2016 de chimie n°1 · Page 1 sur 3 Lycée Janson de Sailly Devoir...
Page1sur3
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?
Page2sur3
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.
Page3sur3
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.
