Devoir surveillé 2017/2018 de chimie n°1 - Janson de Sailly · Lycée Janson de Sailly Devoir...
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Page 1 sur 6 Lycée Janson de Sailly Devoir surveillé de chimie n°1 Année scolaire 2017/2018 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 considérés comme parfaits. La constante des gaz parfaits vaut : = 8,31 J⋅mol -. ⋅K -. . Ce devoir est constitué de quatre exercices indépendants. I) Extincteur au dioxyde de carbone Document : Quelques données concernant le dioxyde de carbone : Pression au point triple : 1 = 5,1 bar Température au point triple : 1 = −57℃ Pression critique : : = 73 bar Température critique : : = 31℃ Température de sublimation : ; = −78℃
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LycéeJansondeSailly Devoir surveillé
de chimie n°1
Annéescolaire2017/2018
ClassedePCSI7
Duréedel’épreuve:2heures
Usagedescalculatrices:autorisé
N.B.Uneprésentationsoignéeestexigée;lesréponsesdoiventêtrejustifiées(avecconcision)etlesprincipauxrésultatsdoiventêtreencadrés.
Danstoutcedevoir,lesgazserontconsidéréscommeparfaits.Laconstantedesgazparfaitsvaut:𝑅 = 8,31J⋅mol-.⋅K-..
Cedevoirestconstituédequatreexercicesindépendants.
I)ExtincteuraudioxydedecarboneDocument:
Quelquesdonnéesconcernantledioxydedecarbone:
Pressionaupointtriple:𝑃1 = 5,1barTempératureaupointtriple:𝜃1 = −57℃Pressioncritique:𝑃: = 73barTempératurecritique:𝜃: = 31℃Températuredesublimation:𝜃; = −78℃
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Questions:
1) Ledioxydedecarboneest-iluncorpspurouunmélange?Dequellesentitésest-ilconstitué?
2) Tracerl’alluredudiagrammedephasesdudioxydedecarbone,enplaçantlespointsparticulierssuivants:pointtripleT,pointcritiqueC,pointdesublimationS.Indiquerlesdomainesdestabilitédesquatreétatsphysiques:solide,liquide,gazeuxetsupercritique.
Onconsidèreunextincteurdevolume3,0Letcontenant2,0kgdeCOCplacédansunesalleoùlatempératureestde20℃.
3) Montrerqu’ilestimpossiblequeledioxydedecarbonesoitentièrementàl’étatgazeuxdansl’extincteur.
4) Enréalité,l’extincteurcontient0,4Ldegaz.Quelautreétatphysiquedudioxydedecarboneoccupelerestedel’enceinte?Quelleestlamassevolumiquedecettephase?Quellevaleurapproximativepouvez-vousestimerpourlapressionàl’intérieurdel’extincteur?
5) Justifierquelapressionaugmentedansl’extincteurlorsquelatempératuredelasalleaugmente.Quesepasse-t-illorsquelatempératuredépasse31℃?Décrirelespropriétésdudioxydedecarbonedanscetétat;citeruneapplicationindustriellequiutiliseledioxydedecarbonedanscetétat.
6) Qu’est-cequela«neigecarbonique»?
7) Justifierlavaleurnumériquedelatempératureensortied’extincteur.Décrirecequiarriveàlaneigecarboniqueaprèssasortiedel’extincteur(nomduchangementd’état,évolutiondelatempérature…).
II)Étudedelasynthèseindustrielledel’ammoniac
La synthèse de l’ammoniac 𝑁𝐻G, au même titre que la synthèse de l’acide sulfurique, est un des procédés catalytiques les plus importants dans l’industrie chimique. À la base de l’industrie des engrais azotés, elle assure l’autosuffisance en céréales de nombreux pays. En 1909, Haber découvre l’effet catalytique du fer sur la réaction entre le diazote 𝑁C et le dihydrogène 𝐻C : 𝑁C(I) + 3𝐻C(I) ⇌ 2𝑁𝐻G(I) équilibre (1)
Très vite, sous l’impulsion de Bosch, le procédé est industrialisé. En 1920, un réacteur produisant 15 mille tonnes d’ammoniac par an est mis en service. Aujourd’hui, 100 millions de tonnes d’ammoniac sont produites par an par ce procédé : les réactifs sont introduits en proportions stœchiométriques, la température est fixée entre 640𝐾 et 800𝐾 ; la pression, constante pendant la synthèse, est choisie entre 8. 10P𝑃𝑎 et 3. 10R𝑃𝑎.
1. En utilisant la notion de quotient réactionnel, démontrer que la synthèse de l’ammoniac par
réaction du diazote et du dihydrogène dans un réacteur gazeux ne peut jamais être rigoureusement totale et conduit nécessairement à un état d’équilibre chimique. Quel est le rôle du fer dans le procédé Haber-Bosch ?
Influence de la température 𝑻 et de la pression 𝑷 sur la composition à l’équilibre
L’objectif de la synthèse est d’optimiser la fraction molaire en ammoniac 𝑥VWX à la sortie du réacteur. On envisage dans un premier temps la situation où l’état d’équilibre thermodynamique est atteint à la sortie du réacteur. Le milieu réactionnel ne contient initialement que du diazote et
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du dihydrogène introduits en proportions stœchiométriques. On relève la fraction molaire en ammoniac une fois l’équilibre atteint pour différentes valeurs de la pression totale.
2. Les réactifs ayant été introduits en proportions stœchiométriques, quelle relation relie à
chaque instant les fractions molaires 𝑥HZ et 𝑥NZ?
3. En utilisant les résultats expérimentaux reportés sur le document 1, estimer la valeur de la constante d’équilibre de la réaction de synthèse de l’ammoniac à 700K. Une évaluation de l’incertitude de votre détermination est souhaitée.
4. Indiquer comment évolue la constante thermodynamique d’équilibre 𝐾°(𝑇) lorsque la
température augmente. En déduire si la synthèse de l’ammoniac est une réaction exothermique ou endothermique.
5. Indiquer à partir des courbes si une augmentation isotherme de la pression constitue un atout
ou un obstacle pour la synthèse de l’ammoniac. On se propose de justifier ce résultat. Pour cela, on envisage un système initialement à
l’équilibre thermodynamique, à la température 𝑇, à la pression 𝑃, contenant du diazote 𝑁C(I), du dihydrogène 𝐻C(I) et de l’ammoniac 𝑁𝐻G(I). Sans modifier la composition du système, on élève la pression de façon isotherme.
6. Exprimer le quotient de réaction 𝑄_ associé à l’équilibre (1) en fonction des quantités de
matière de chaque constituant présent dans le système, de la quantité de matière totale 𝑛aba, de la pression 𝑃 et de la pression standard 𝑃° = 1𝑏𝑎𝑟.
Indiquer à quoi est égal le quotient de réaction 𝑄_,e associé à l’équilibre (1) avant perturbation de la pression.
Indiquer en justifiant la réponse comment évolue le quotient de réaction 𝑄_ après élévation de la pression. Vérifier alors la réponse donnée à la question 5.
Influence de la présence de gaz inertes En réalité, d’autres constituants peuvent intervenir dans la composition du mélange réactionnel initialement introduit dans le réacteur. Les traces de méthane viennent du gaz utilisé lors de la production de dihydrogène par reformage. Les traces d’argon sont issues de l’air dont provient le diazote.
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600 650 700 750 800 850 900
DOCUMENT 1 – FRACTION MOLAIRE D’AMMONIAC A LA SORTIE DU RÉACTEUR
100𝑥VWX,ég
𝑇(𝐾)
𝑃 = 10𝑀𝑃𝑎𝑃 = 15𝑀𝑃𝑎𝑃 = 20𝑀𝑃𝑎𝑃 = 25𝑀𝑃𝑎
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Dihydrogène 𝐻C(I) 𝑥WZ = 0,69 Diazote 𝑁C(I) 𝑥WZ = 0,23 Argon 𝐴𝑟(I) 𝑥k_ = 0,02 Méthane 𝐶𝐻m(I) 𝑥:Wn = 0,06
7. Indiquer à partir des courbes si la présence de gaz inertes constitue un atout ou un obstacle
pour la synthèse de l’ammoniac. 8. Par un raisonnement analogue à celui mené sur la pression, étudier l’influence – à
température et pression constantes – de l’introduction d’un gaz inerte sur la réaction (1).
III)PluiedoréePourréaliserlafameuseexpériencedelapluiedorée,onproposeleprotocolesuivant:-Réaliser𝑉. = 200mLd’unesolution(S1)d’ioduredepotassiumKIdeconcentration𝐶. =0,60mol⋅L-..-Réaliser𝑉C = 100mLd’unesolution(S2)denitratedeplombPb NOG Cdeconcentration𝐶C =0,30mol⋅L-..-Dansunerlenmeyerde500mL,mélangerlesdeuxsolutionsprécédentes.Onobtientunesolutiondevolumeapproximativement𝑉 = 𝑉. + 𝑉C = 300mL.Agiterlonguement.Onobservel’apparitiond’unprécipitéjauned’ioduredeplombPbI𝟐.-Porterlemélangeàébullitionsuruneplaquechauffante.Leprécipitédisparaîttotalement;lasolutionestalorslimpide.-Fairerefroidirl’erlenmeyerenleplongeantdansuncristallisoird’eauàtempératureambiante:onobservealorsl’apparitiond’unepluiedorée(voirphotoci-contre).
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DOCUMENT 2 – COMPOSITION TYPIQUE DU GAZ DE SYNTHÈSE À L’ENTRÉE DU RÉACTEUR
DOCUMENT 3 – FRACTION MOLAIRE D’AMMONIAC A LA SORTIE DU RÉACTEUR À 𝑷 = 𝟐𝟎𝑴𝑷𝒂
100𝑥VWX,ég
𝑇(𝐾)
8%degazinertesPasdegazinertes
Compositionàl’entréeduréacteur:
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Onrappellelaformulededeuxanionscourants:l’ioniodureI-etl’ionnitrateNOG-.
Questions:
1) Déterminerlanaturedesespècesioniquesprésentesdanslessolutions(S1)et(S2)ainsiqueleursconcentrationsdansleurssolutionsrespectives.
2) Aprèsavoirconsultélafiched’informationssurlenitratedeplombci-dessous,proposerunprotocoledétaillépourpréparerlasolution(S2).
Nitratedeplomb
3) Écrirel’équationdelaréactiondeprécipitation(RP)quiseproduitlorsqu’onmélangelessolutions(S1)et(S2),enchoisissantunnombrestœchiométrique+1pourl’ioduredeplomb.Laconstanted’équilibreassociéeàcetteréaction(RP)apourvaleur𝐾° = 1,2 ⋅ 10wxà25℃.
4) Aprèsuneagitationsuffisammentlonguedelasolutionprécédenteàtempératureambiante,laquantitédeprécipitén’évolueplus.A-t-onatteintunétatd’équilibrepourlaréaction(RP)ou
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bienya-t-ileuuneruptured’équilibre?Déterminerlaquantitédematièredeprécipitéformédansl’étatfinal,ainsiquelaconcentrationdetouslesionsdanslasolutionsurnageante.
5) Commentlaconstanted’équilibre𝐾°évolue-t-ellelorsquelatempératureaugmente?Quelleestlavaleurde𝐾°àlatempératureprécise𝑇yoùlasolutiondevientlimpidelorsduchauffage?
6) Expliquerlephénomènedelapluiedorée.Pourquoicettepluieapparaît-elleàunetempératureinférieureà𝑇y?
7) Onintroduit𝑛y = 0,0100mold’ioduredeplombsolidedansunefiolejaugéede500mL,oncomplèteautraitdejaugeavecdel’eaudistilléeetonagitelonguement.Latempératureestde25℃.Décrirel’étatfinalattendu:solutionlimpideousaturée,concentrationsdesionsdanslasolution,quantitédesoliderestant.
IV)Voldeméthylamine…
Dansl’épisode5delacinquièmesaisondeBreakingBad,WalteretJesseveulentdéroberdelaméthylamineCHGNHC(quiestenfaitunesolutionaqueusedeméthylamineà40,0%enmasse,dedensité𝑑 = 0,897,𝑀CHXNHZ = 31g⋅mol-.)ensiphonnantunepartieducontenudelaciterned’untrain.Ilsprélèventainsi3785Lsurles91000Lquecontientlaciterne.Pouréviterquel’onneserendecompteduvollorsdelapeséedeswagonsàl’arrivéedutrain,ilsdécidentderemplacerlevolumedesolutionvoléeparunvolumed’eaupure,detellesortequelamassedelaciterneresteinchangée.
Déterminerlepourcentagemassiquedelaméthylaminedanslasolutionsetrouvantdanslaciterneàl’arrivéedutrain…
