Devoir surveillé de chimie n°3
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Page 1 sur 6 Lycée Janson de Sailly Devoir surveillé de chimie n°3 Année scolaire 2021/2022 Classe de PCSI 3 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. On donne la valeur de la constante des gaz parfaits : = 8,31 J⋅mol !" ⋅K !" . La série « Breaking Bad » a été diffusée durant cinq saisons de 2008 à 2013. Elle narre les aventures d’un professeur de chimie, Walter White, qui se met à produire de la méthamphétamine et qui tombe dans le trafic de drogue. On rappelle que la méthamphétamine est une drogue extrêmement addictive, qui pose de réels problèmes de santé publique dans certains pays par les effets graves qu’elle provoque sur la santé. Cette série fait de très nombreuses références à la chimie, dont certaines sont discutées dans ce devoir. Le problème est constitué de trois parties indépendantes.
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LycéeJansondeSailly Devoir surveillé
de chimie n°3
Annéescolaire2021/2022
ClassedePCSI3
Duréedel’épreuve:2heures
Usagedescalculatrices:autorisé
N.B.Uneprésentationsoignéeestexigée;lesréponsesdoiventêtrejustifiées(avecconcision)etlesprincipauxrésultatsdoiventêtreencadrés.
Ondonnelavaleurdelaconstantedesgazparfaits:𝑅 = 8,31J⋅mol!"⋅K!".
Lasérie«BreakingBad»aétédiffuséedurantcinqsaisonsde2008à2013.Ellenarrelesaventuresd’unprofesseurdechimie,WalterWhite,quisemetàproduiredelaméthamphétamineetquitombedansletraficdedrogue.Onrappellequelaméthamphétamineestunedrogueextrêmementaddictive,quiposederéelsproblèmesdesantépubliquedanscertainspaysparleseffetsgravesqu’elleprovoquesurlasanté.
Cettesériefaitdetrèsnombreusesréférencesàlachimie,dontcertainessontdiscutéesdanscedevoir.
Leproblèmeestconstituédetroispartiesindépendantes.
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I)LesélémentschimiquesdansBreakingBadLesscénaristesontintroduitlesélémentschimiquesenmettantenavantleursymbole.Toutd’aborddansletitredelasérie,quifaitapparaîtrelessymbolesBretBa,maisaussidanslegénérique,puisquelesnomsdesacteursfontapparaîtredessymboleschimiques,commecelaestprécisédansledocument1.
1) SymboleBr
a)Donnerlenomdel’élémentchimiquedesymboleBr,quiintervientdansletitredelasérieetdansleprénomdel’acteurprincipalBryanCranston.b)Écrirelaconfigurationélectroniqued’unatomedecetélémentetfairelelienaveclanotation«2-8-18-7»utiliséedanslacarte.Quelssontlesélectronsdevalence?c)Dansquellecolonnedutableaupériodiqueestsituécetélément?Àquellefamilleappartient-il?Citerlesdeuxpremiersélémentsdecettefamille.d)Seulsdeuxisotopesdel’élémentBrexistentnaturellement:l’isotope Br#$ etl’isotope Br%" .Donnerlacompositiondunoyaudechacundecesisotopes,etendéduireunevaleurapprochéedeleursmassesmolairesrespectives𝑀"et𝑀&(enproposantuneincertitude𝑢(𝑀")et𝑢(𝑀&)pourcesvaleurs).Déterminerl’abondancenaturelledechacundecesdeuxisotopesdubrome.Évaluerl’incertitudedevotreréponse.
2) SymboleBaa)Écrirelaconfigurationélectroniqued’unatomedebaryum.Endéduiredansquellecolonnedutableaupériodiquesetrouvecetélément.b)Lebaryumest-ilunmétalouunnon-métal?Endéduirequelquespropriétésducorpssimplebaryum.c)Lebaryumestunélémenttrèsréactif.Ils’enflammefacilementdansl’air,réagissantavecle
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dioxygènepourproduiredel’oxydedebaryumetaveclediazotepourproduiredunitruredebaryum.Enraisonnantsurlesionscourantsattendus,déterminerlaformulebrutedel’oxydedebaryum,d’unepart,etdunitruredebaryum,d’autrepart.Endéduirealorsleséquationsdesdeuxréactionsdecombustiondubaryumdansl’air.
3) Àpartirdel’épisode1delasaison2etjusqu’àl’épisode9delasaison3,ledirecteurdelaphotographieestMiChaelSlovis,écrittelqu’ilapparaîtdanslegénérique.Àpartirdel’épisode10delasaison3,sonnomapparaîtensuitecommeMiChaelSlovis.Proposeruneexplication.
Lebeau-frèredeWalterWhite,HankSchrader,passionnédeminéralogie,collectionnebeaucoupdecristaux.Dansl’épisode4delasaison4,ilmontresacollectionetenparticulieruncristalderhodoniteàbasedemanganèse.Devantlabellecouleurroseducristal,lehérosWalterWhitedonneuneexplication.
Danslaversionoriginaleenanglais,ildit:«Lesétatsd’oxydationdumanganèsesontcomprisentre−3et+7,cequilefaitpasserpartouteunegammedecouleurscommeleviolet,levert,lebleu.Maisl’étatleplusstableest+2,cequicorrespondgénéralementàunrosepâle.»,maiscurieusementdanslaversionfrançaise,latraductionest«…comprisentre−3et+3».
4) Lemanganèse,desymboleMn,estl’élémentdenuméroatomique𝑍 = 25.a)Endéduiresaconfigurationélectronique,leblocdutableaupériodiqueauquelilappartient,etsonnombred’électronsdevalence.b)Lesnombresd’oxydation(ouétatsd’oxydation)d’unélémentreprésententlesdifférenteschargesquepeutposséderunionmonoatomiquedecetélémentdanslescorpscomposésquilecontiennent,lorsqu’onutiliseunmodèleioniquepourlesliaisons.Laversioncorrecteest-ellelaversionenanglaisoulaversionfrançaise?c)L’ionpermanganateestunionmoléculairedeformuleMnO'!connupoursacouleurviolettecaractéristique.ProposerunestructuredeLewispourcetion,faisantporterlachargenégativesurl’atomeleplusélectronégatif.OnsaitquetouteslesliaisonsMn-Oontstrictementlamêmelongueur;endéduirequ’ilfautcompléterlaformuledeLewispard’autresformules,encitantetexpliquantleconceptutilisé.d)Déterminerlagéométriedel’ionMnO'!enutilisantlaméthodeVSPER.Bienpréciserlavaleurdelamesureendegrésdesanglesentrelesliaisons.Cettemesureest-ellelamêmeentretouteslesliaisons?
II)LefulminatedemercureLefulminatedemercure,deformuleHg(CNO)&estunexplosiftrèssensibleauxchocs.Ilaétéemployédanslesamorcesdecartouchesjusqu’àla2èmeguerremondiale.
Dansl’épisode6delasaison1,lehérosWalterWhitesesortd’unmauvaispasenlançantuncristaldefulminatedemercurequ’ilavaitpréalablementpréparé,cequiprovoqueunediversiongrâceàl’explosiongénérée.
Lapréparationdufulminatedemercureestdécritedansledocument2.
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5) Unesolutiond’acidenitriqueestunesolutionaqueusedanslaquelleonadissouslecorpspur
moléculaireHNO(dansdel’eau.L’équationdecettedissolutionest:HNO((ℓ) → H(aq). + NO(!(aq)
(réactiontotale).Dansl’ionnitrateNO(!,lestroislongueursdeliaisonN-Osontstrictementégales,alorsquecen’estpaslecasdanslamoléculeHNO(,quipossèdeuneliaisonN-Onettementpluslonguequelesdeuxautres.RendrecomptedecespropriétésaumoyendestructuresdeLewisadaptées.
Lapremièreétapedelasynthèseapouréquation:
Hg(ℓ) + 4H(aq). + 2NO(!(aq) = Hg(aq)
&. + 2NO&(g) + 2H&O(ℓ)
Laconstanted’équilibreassociéeàcetteéquationvaut:𝐾° = 0,02à𝑇 = 298K,températurefixéepourtoutecettesynthèse.
Laréactionestmenéedansunréacteurfermé,contenant𝑉/ = 100mLdesolutiond’acidenitriquedeconcentration𝐶 = 5,00mol⋅L!",danslaquelleonintroduitunequantité𝑛0 = 0,10moldemercuremétalliqueliquide.Levolumedelaphasegazeusedisponiblesurmontantlasolutionestde𝑉1 =1,00L.
6) Déterminerquelestleréactiflimitantdanslesconditionsindiquées.
7) Onfaitl’hypothèsequelaréactionestrigoureusementtotale.Déterminerlesquantitésdematièredetouslesréactantsdel’équationàl’étatfinaldanslecadredecettehypothèse(saufl’eau,quiestlesolvantdoncentrèslargeexcès).Montreralorsquecettehypothèsedoitêtrerejetée.
8) L’hypothèsed’uneréactiontotaleayantétérejetée,onendéduitquelaréactionatteintunétatd’équilibrechimique.Onnote𝜉23 l’avancementdelaréactiondanscetétat.Donnerl’expressionduquotientréactionnel𝑄23 enfonctionde𝜉23 etdesparamètresdusystème.Quelleestlavaleurde𝑄23 ?
9) Leréacteurpossèdeuneparoimobile.Àpartirdel’étatd’équilibreprécédent,a-t-onintérêtàtirerlaparoi(pouraugmenterlevolume𝑉1 disponiblepourlaphasegazeuse),oubienàlapousser(pourdiminuer𝑉1),sionveutdéplacerl’équilibredanslesensdelaconsommationdedavantagedemercure?
Ons’intéressemaintenantaufulminatedemercureproduitàl’issuedeladeuxièmeétape.
10) L’ionfulminateapourformuleCNO!.Sachantquel’atomed’azoteestl’atomecentral,montrerquetroisformulesmésomèresrespectantlarègledel’octetpeuventaprioriêtreécrites.Déterminerlaquelledecesformulesest,selonvous,laplusreprésentative.Déterminerlagéométriedel’ionfulminate.
11) Lorsd’unchoc,lefulminatedemercurepeutsedécomposerquasi-instantanémentenlibérantdumonoxydedecarbone,dudiazoteetdumercure.Écrirel’équationdelaréactionde
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décompositionquiseproduitquandWalterWhitejetteàterreuncristaldefulminatedemercure.
12) Sachantquelecristalapourdimensionsapproximatives5cmdelongpour4cm&desection,estimerlevolumedegazlibéréetexpliquerlaraisondel’explosionquiseproduit.
Données:
III)LaphosphineLafindupremierépisodedelasaison1setermineparl’intoxicationpardelaphosphinededeuxtueurspoursuivantlehéros.
LaphosphinePH(,encoreappeléehydruredephosphore,estuncomposégazeuxextrêmementtoxiqueparinhalation.
Onrappellequelephosphoreestl’élémentsituésousl’azotedansletableaupériodique.Laphosphineestdoncl’équivalentphosphorédel’ammoniacNH(.
13) DéterminerlagéométriedesmoléculesNH(etPH(enutilisantlathéorieVSEPR.Danscesmolécules,lesanglesdeliaisonsontétédéterminéségauxàrespectivement107°et94°.Commentercesvaleurs.
14) Laphosphineetl’ammoniacsont-ellesdesmoléculespolaires?Comparerl’intensitédeleurmomentdipolaire.
15) Comparerlapolarisabilitédelaphosphineetdel’ammoniac.
16) Encomparantlesdifférentesforcesintermoléculaires,attribueràlaphosphineetàl’ammoniacleurstempératuresd’ébullitionrespectives:−88℃et−33℃.
17) L’ammoniacestenviron3000foisplussolubledansl’eauquelaphosphine.Interprétercettedifférence.
Laphosphineestunemoléculetrèsstable.Néanmoins,àhautetempérature,ellepeutsedécomposerselonlaréactionsuivante:
PH((g) =14P'(g) +
32H&(g)
Lacinétiquededécompositiondelaphosphineenphasegazeuseafaitl’objetdenombreusesétudes.Onaainsiétabliqu’ils’agissaitd’uneréactiond’ordre1.
Dansl’unedecesétudescinétiques,unequantitéconnuedephosphineaétéintroduiteàl’instantinitial𝑡 = 0dansuneenceintedevolumeconstantinitialementvideetmaintenueàtempératurefixée.
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Laconcentrationvolumiqueenphosphineaétésuivieaucoursdutempsàl’aided’undispositifquineserapasétudiéici.
Lesrésultatsdusuiviàlatempératurede500℃sontregroupésdansletableausuivant:
18) Onnotera𝑘laconstantecinétiquedelaréaction.Sachantquelaréactionestd’ordre1,quelleest
laloidevitesse?Endéduirequelleexpressiondelaconcentration[PH(]estlinéaireenfonctiondutemps.
19) Enutilisantl’ensembledesvaleursfourniesdansletableau,déterminerlameilleurevaleurpossibledelaconstantecinétique𝑘à500℃,assortiedesonincertitude-type𝑢(𝑘).
20) L’énergied’activationdelaréactionvaut𝐸5 = 185kJ⋅mol!".Endéduirelavaleurdelaconstantecinétiqueà20℃.Calculeralorsladuréededemi-viedelaphosphineetcommenterl’affirmation:«Laphosphineestunemoléculetrèsstable.»
