OLYMPIADES NATIONALES DE LA CHIMIE - …users.skynet.be/jobonne/ONCEpreuve ecrite 2011 AEFE...

NOTE : .….../ 200

OLYMPIADES NATIONALES DE LA CHIMIEEPREUVES REGIONALES 2011

ACADEMIE RESTE DU MONDE

CORRIGE - BAREME

D ’ après Académie de Nancy-Metz

Olympiades de la Chimie 2011Epreuve écrite régionale

Partie 1 : Analyse des eaux

1. Dureté totale

La dureté totale d’une eau est un indicateur de la teneur globale en ions calcium et magnésium. Si une eau dure n’est pas dangereuse pour la santé humaine, en revanche elle présente des inconvénients d’ordre domestique.

Quel est le principal inconvénient d’une eau dure ?

Formation de tartre par précipitation des carbonates de calcium et magnésium 1

Comment appelle-t-on l’indice qui mesure la dureté de l’eau ?

titre hydrotimétrique ou T.H. 1

Pour déterminer la concentration en ions calcium et magnésium, on effectue un dosage volumétrique.Quel est généralement l’agent titrant utilisé et pourquoi ?

L’EDTA qui forme des complexes très stables avec le calcium et le magnésium 1+1

Quel indicateur est alors utilisé pour repérer l’équivalence et pourquoi?

NET ou noir ériochrome TLe NET forme avec le calcium et le magnésium des complexes de couleur rose-rouge

(accepter violet)A l’équivalence les deux cations sont intégralement complexés avec l’EDTA. Il n’y a plus de complexes avec le NET d’où le passage du rose au bleu, couleur de l’indicateur libre au pH

de travail

1+1

2. Mesure de la pollution organique d’une eau

2.3.1. Pour évaluer la pollution organique d’une eau brute, on souhaite mesurer la demande d’oxygène (exprimée en mg de O2 par litre d’eau) que le milieu exerce afin d’oxyder et donc de minéraliser ces matières organiques. Plusieurs paramètres sont mesurables. Ils correspondent aux sigles suivants : IP, DBO5, DCO, COT.

IP indice permanganate

DBO5 demande biochimique en oxygène en 5 jours

DCO demande chimique en oxygène

COT carbone organique total

2.3.2. Mesure de l ’ IP A une prise d’essai E = 200 mL d’eau brute, on ajoute en milieu acide, une quantité connue et en excès de solution de permanganate de potassium de concentration C0 égale à 2,00×10-2 mol.L-1. La solution est violacée. Puis après 10 minutes de chauffage à l’ébullition,

Total page


on ajoute une quantité connue d’une solution d’oxalate de sodium et on observe la décoloration de la solution. On titre alors le milieu réactionnel par la solution de permanganate de potassium précédente jusqu’à coloration rose pâle. Le volume de solution de permanganate de potassium versé à l’équivalence est Ve = 8,0 mL.On réalise par ailleurs un témoin en suivant le même mode opératoire mais en remplaçant l’eau brute par le même volume d’eau déminéralisée. Le volume de solution de permanganate de potassium versé à l’équivalence est alors Vt = 3,0 mL

Ecrire les demi-équations redox correspondant aux couples MnO4-/Mn2+ et CO2/C2O4

2- (l’ion C2O4

2-est l’ion oxalate), puis l’équation de la réaction entre MnO4-et C2O4

2-.

MnO4- + 8 H++ 5 e- = Mn2+ + 4 H2O 1

2 CO2 + 2 e-= C2O42- 1

2 MnO4- + 16 H+ + 5 C2O4

2- = 10 CO2 + 2 Mn2+ + 8 H2O

Ou 2 MnO4- + 6 H+ + 5 H2C2O4 = 10 CO2 + 2 Mn2+ + 8 H2O

1

Donner l’expression littérale de la quantité de matière n de permanganate ayant réagi avec l’échantillon d’eau brute.

2

IP est exprimé en utilisant comme oxydant le dioxygène.

Ecrire la demi-équation redox correspondant au couple O2/H2O.

O2 + 4 H++ 4 e- = 2 H2O 1

Exprimer la quantité de matière n’ de dioxygène « équivalente » à la quantité n de permanganate.

1 mole de permanganate peut capter 5 moles d’électrons.1 mole de dioxygène peut capter 4 moles d’électrons

1 mole de permanganate de potassium équivaut donc à 1,25 moles de dioxygène (5/4) donc n’= 1,25 n

1

IP représente la masse de dioxygène qui serait consommée par litre d’eau brute (en mg de O2/L).

Exprimer la quantité de dioxygène consommée par litre d’eau brute en fonction de C0, Ve, Vt et E.

1

Montrer que , sachant que M(O2) = 32 g.mol-1.

Pour obtenir IP, il suffit de multiplier ce terme par la masse d’une mole de dioxyène (en mg) 2

L’eau brute étudiée a-t-elle une oxydabilité inférieure à 10 mg/L ?

Pour l’eau étudiée I.P = 20 mg/L : elle ne respecte pas la limite d’oxydabilité de 10 mg/l 1

2.2. COT : Certains composés organiques résistent à l’oxydation chimique et ne sont donc pas comptabilisés dans la DCO. Pour les oxyder complètement, il faut une méthode plus énergique : ils subissent une combustion totale à 950 °C par le dioxygène gazeux.

Total page


La quantité de dioxyde de carbone formée est déterminée par photométrie à 2400 cm -1 .

A quelle longueur d’onde correspond ce nombre d’onde ?

λ= 1/σ = 1/2400 cm soit environ 4×10-4cm soit 4×10-6 m ou 4000 nm 2

Dans quel domaine du spectre lumineux se trouve cette longueur d’onde ?Infra-rouge 1

Avant de déterminer le carbone organique contenu dans un échantillon, à froid, on l’acidifie tout d’abord (pH inférieur à 2) puis on dégaze l’échantillon (par exemple en faisant barboter de l’azote qui n’absorbe pas à 2400 cm-1). On détecte une absorption à 2400 cm-1.(Le pKa du couple est de 6,4 et celui du couple 10,3).

Pour étalonner un COT-mètre, on peut utiliser une solution d’éthylène-glycol dont vous avez ci-dessous la formule topologique :

OH

OH

Données : Masses molaires en g.mol-1 : H : 1 C : 12 O : 16

Donner le nom de cette molécule en nomenclature recommandée par l’IUPAC ainsi que sa formule brute et sa masse molaire.

Ethane-1,2-diol C2H6O2M = 62 g.mol-1. 3

Ecrire l’équation de la réaction de combustion totale de l’éthylène-glycol dans le dioxygène.

C2H6O2 + 5/2 O2= 2 CO2 + 3 H2O 1

On souhaite préparer une solution d’éthylène-glycol ayant un COT de 480 mg/L (le COT est exprimé en mg de carbone par litre de solution).

Quelle devra être la concentration molaire de cette solution ?

1 mole d’éthylène glycol peut libérer 2 moles de carbone (sous forme de CO2) soit 24 g de carbone.

Pour obtenir une solution ayant un COT de 480 mg de carbone/L, il faut donc que la concentration de la solution soit de : C = (1 × 480/24 000) = 0,0200 mol.L-1

1

+1+1

Partie 2 : Les techniques de traitement de l’eau

1. Les besoins et les usages en eau

1.1. Les usages de l’eau sont très variés. On peut néanmoins les classer en 3 grandes catégories.

Quelles sont ces 3 catégories ?

Usages alimentaires, domestiques et industriels 3

Quels procédés pouvant être qualifiés de thermique, nucléaire, hydraulique nécessitent des quantités d’eau considérables ?

Total page


Les procédés de production d’énergie électrique 1

Le stress en eau est de plus en plus important, en particulier autour de l’équateur.Dans les 40 prochaines années, quel phénomène va conduire à des besoins en eau toujours plus considérables ?

L’explosion démographique (population passant de 6 à 9 milliards entre 2010 et 2050) 1

Deux raisons justifient le développement des techniques de dessalement de l’eau de mer. Lesquelles ?

97% de l’eau provient des océans et des mers et environ 1/3 de la population vit en bord de mer 2

Quelle alternative au dessalement est envisagée pour couvrir les besoins en eau ?

Sa réutilisation (aujourd’hui - de 50% de l’eau est traitée et seulement 5% est recyclée) 1

1.2. Les objectifs du traitement de l’eau sont nombreux. On distingue globalement 5 grands objectifs à atteindre isolément ou simultanément.

Quels sont les 5 objectifs du traitement de l’eau ?

Eliminer les risques chimiques ou biologiques 1

Respecter des critères organoleptiques 1

Diminuer l’impact environnemental 1

Diminuer les phénomènes de corrosion et d’entartrage 1

Adapter la composition de l’eau au procédé 1

On distingue généralement les techniques biologique et physico-chimique, les deux pouvant éventuellement être couplées.

Quel critère primordial sur la pollution est considéré pour envisager l’une ou l’autre des techniques ?

La plus ou moins grande biodégradabilité de la pollution 1

2. Techniques d’extraction de la pollution non dissoute2.1. Comment appelle-t-on une eau débarrassée de sa pollution non dissoute ?

Une eau clarifiée 1

2.2. Selon que les polluants sont moins denses ou plus denses que l’eau, on privilégie une séparation respectivement par flottation et par décantation.

Quelles sont les trois forces mises en jeu dans ces 2 techniques de séparation ?

Poids (pesanteur), poussée d’Archimède, forces de frottements 3

Total page


En conséquence et outre la densité du polluant, quels sont les deux paramètres importants à prendre en compte pour juger de la faisabilité de telles techniques ?

Le volume des particules et la viscosité du liquide 2

Quel est le principe de base de la flottation ?

Entrainement des polluants vers la surface par des micro-bulles d’air 1

Très souvent, les très petites particules (colloïdes) présentent une charge de surface négative. La répulsion électrostatique qui en découle empêche leur agrégation et donc leur décantation. Pour vaincre cette répulsion, on ajoute généralement des cations voire des polymères qui favorisent l’un et l’autre le pontage des particules solides.

Comment appelle-t-on ces deux types d’agents chimiques qui favorisent l’agrégation et donc la décantation ?

Les coagulants et les floculants 2

La détermination de la quantité optimale d’adjuvants chimiques est expérimentale.

Comment appelle-t-on le test mis en œuvre ?

JAR TEST 1

Une limite majeure du procédé de décantation est l’emprise au sol des décanteurs. Des technologies innovantes telles que celle de l’ACTIFLO® permettent d’améliorer les performances.

Quelles sont les deux sources d’amélioration apportées par ces techniques ?

Injection de micro-sables pour augmenter la densité des flocsMise en place d’une décantation lamellaire 2

2.3. Une autre technique de séparation est la filtration granulaire .

Quels matériaux filtrants sont utilisés dans ce cas ?

Sable et/ou anthracite 2

Quel est le principal inconvénient de cette technique ?

Colmatage du milieu granulaire 1

3. Techniques d’extraction de la pollution dissouteOutre les techniques de désolubilisation suivie d’une précipitation ou d’un stripage, trois

grandes techniques sont généralement utilisées (seules ou couplées) pour éliminer les pollutions dissoute : l’adsorption, l’oxydation et les techniques membranaires.3.1. L’adsorption des polluants est très souvent réalisée sur charbon actif . Un charbon actif est obtenu par pyrolyse en absence d’O2 de déchets riches en carbone suivie d’une activation.

Quelles sont les deux grandes caractéristiques d’un charbon actif qui en font un matériau de choix pour l’adsorption d’un grand nombre de polluants et pourquoi ?

Total page


Très forte porosité qui favorise une grande surface spécifique (ou surface de fixation)Présence de fonctions chimiques en surface qui favorisent l’adsorption des molécules

apolaires comme c’est le cas de nombreux polluants

2

+2

Sous quelles formes trouve-t-on les charbons actifs ?

En grains (CAG) ou en poudre (CAP) 2

Par quel effet biologique peut-on augmenter la durée de vie et l’efficacité d’un charbon actif ?

Colonisation par des bactéries qui « mangent » les polluants 1

3.2. D’autres matériaux privilégiés pour l’adsorption de la pollution dissoute sont les résines échangeuses d ’ ions .

Comment peut-on décrire simplement la structure d’une résine échangeuse d’ions ?

Squelette (résine organique) sur lequel sont présents des groupements fonctionnels chargés 2

Quel est le principe de fonctionnement d’une résine échangeuse d’ions ?

Fixation des polluants dissous de charge opposée à celle du groupement fonctionnel 2

On dispose d’une résine échangeuse de cations, que l’on notera pour simplifier R-SO3

-H+, placée dans une burette en présence d’acide chlorhydrique à 2 mol.L-1 nécessaire pour la conservation de cette résine et sa régénération.On réalise l’expérience suivante : 1ère étape : Faire s’écouler le liquide surnageant. Rincer plusieurs fois la résine avec de l’eau distillée jusqu’à ce que le pH de la goutte d’éluat tombant de la burette soit égal à celui de l’eau distillée (Recueillir tout l’éluat de cette étape dans un récipient-poubelle).

2ème étape : Prélever une prise d’essai E = 10,0 mL d’une solution (S) contenant du chlorure de calcium à la concentration C1 égale à 0,03 mol.L-1et du chlorure de potassium à la concentration C2 égale à 0,06 mol.L-1. La faire passer à travers la résine et recueillir l’éluat dans un bécher. Rincer la résine à l’eau distillée et recueillir l’éluat dans le même bécher jusqu’à ce que le pH de la goutte d’éluat tombant de la burette soit égal à celui de l’eau distillée.

3ème étape : On titre la solution contenue dans le bécher par une solution d’hydroxyde de sodium de concentration C0 égale à 0,10 mol.L-1. Le volume de titrant versé à l’équivalence est Ve =12,0 mL.

Indication : Les cations Mn+ de (S) sont remplacés par des ions H+ fournis par la résine échangeuse d'ions fortement acide selon la réaction:

Mn+(solution) + n H+

(résine) = Mn+(résine) + n H+

(solution)

Écrire, pour chaque cation de la solution (S), l’équation traduisant les échanges qui ont lieu avec la résine.

Total page


Ca2+(solution) + 2 H+

(résine) =Ca2+(résine) + 2 H+

(solution)

K+(solution) + H+

(résine) = K+(résine) + H+

(solution)2

Exprimer la relation entre la quantité de H+ recueillis dans le bécher n(H+ ) et les quantités d’ions Ca2+, n(Ca2+) et d’ions K+, n(K+) présents dans la prise d’essai E.

n(H+) = 2 n(Ca2+) + n(K+) 1

Pourquoi est-il indispensable, dans l’étape 1, de rincer la colonne jusqu’à ce que le pH de la goutte d’éluat soit celui de l’eau distillée ?

il faut éliminer tout les ions H+ excédentaires qui ne sont pas fixés sur la résine 1

Pourquoi est-il indispensable, dans l’étape 2, de recueillir toutes les eaux de rinçage jusqu’à ce que le pH de la goutte d’éluat soit celui de l’eau distillée ?

cela permet de recueillir tous les ions H+ libérés par le passage de la solution (S) sur la résine 1

Quels sont les ions présents, en quantité notable, dans le bécher, à la fin de la 2ème étape.

cation : H+ anion : Cl- 1

Ecrire l’équation de la réaction chimique correspondant à la troisième étape.

H+(aq) + HO-(aq) = 2 H2O(l) 1

En écrivant la relation à l’équivalence, montrer que la valeur du volume équivalent était prévisible.

soit

Une valeur approchée de sera donc : soit 12 mL

1

+1

+1

La résine utilisée ne permet pas d’obtenir d’eau déminéralisée à partir de la solution (S).

Comment faudrait-il compléter ce dispositif pour obtenir de l’eau déminéralisée.

Il faudrait ajouter une résine échangeuse d’anions qui libère des ions HO-. 1

3.3. Une autre possibilité d’éliminer les polluants dans l’eau est l’oxydation. Dans ce domaine les deux oxydants de choix sont l’ozone et le chlore.Ecrire la réaction de formation de l’ozone. Comment est-elle provoquée ?

3 O2(g) = 2 O3(g) réaction provoquée par une décharge électrique 2

Quels sont les deux principaux modes d’action de l’ozone ?

Total page


Addition sur les doubles liaisons C=C (pour former des ozonides qui sont hydrolisées en aldhéhydes et cétones)

Réactions radicalaires2

Quel est le principal inconvénient de l’ozone ?

Son effet n’est pas rémanent car il se décompose en oxygène natif 1

Quelles sont les trois formes actives du chlore oxydant ?

Dichlore gazeux Cl2(g)Acide hypochloreux (HOCl(aq))

Ion hypochlorite (OCl-(aq))3

Citer un inconvénient du chlore oxydant ?

Pour le dichlore gaz : problème de taille limitée des bouteilles de stockage, toxicité. Pour les hypochlorite : titre non stable dans le temps, corrosion des installations, risque d’entartrage

car milieu alcalin, risque de formation de chloramines ( produits irritants et cancérigènes)1

Pour contourner cet inconvénient, on le produit généralement sur site. Par quelle méthode ?

Electrolyse d’une solution de NaCl 1

3.4. La technique de séparation la plus polyvalente pour éliminer les polluants est la filtration sur membrane.

Expliquer très simplement le principe de fonctionnement d’une membrane.L’eau à traiter passe sur une membrane qui retient les molécules dont la taille est supérieure

à celle des pores de la membrane (ou qui laisse passer les molécules dont la taille est inférieure à la taille des pores)

2

Qu’appelle-t-on « seuil de coupure » d’une membrane ?Le seuil de coupure correspond à la taille minimale des molécules qui sont retenues (ou à la

taille maximales des molécules qui passent). Il est approximativement égal à la taille des pores de la membrane.

1

Lorsque le seuil de coupure diminue, il est impératif d’imposer une contrainte opératoire pour que le débit traité soit significatif.

Quelle est cette contrainte opératoire.

Imposer une force motrice autrement une pression qui augmente quand le seuil de coupure diminue 1

La microfiltration et la nanofiltration permettent de filtrer des polluants dont la taille est comprise dans l’intervalle respectivement [10 ; 100nm] et [1 ; 10 nm].

Citer deux polluants concernés par ces filtrations ?

Virus, pesticides, gros sels dissous, bactéries 2

Une technique ultime de filtration sur membrane qui permet d’éliminer les petits ions est l’osmose inverse.

Total page


Expliquer pour le processus d’osmose est qualifié « d’inverse ».

Le processus d’osmose fait que de part et d’autre d’une membrane, l’eau va migrer du milieu le moins concentré vers celui le plus concentré.

Dans le cas de l’osmose inverse, on inverse le processus en appliquant une pression du côté le plus concentré. Ainsi l’eau polluée s’enrichit en polluant et la membrane laisse passer une

eau totalement dépolluée.

2

4. Le dessalement de l’eau de merL’eau de mer subit un très grand nombre de prétraitements évoqués précédemment avant l’étape de dessalement proprement dit.Dans le monde, quels sont les deux grands procédés utilisés pour réduire la teneur en sel ?

Procédés thermiques (évaporation - condensation)Osmose inverse 2

Pourquoi le plus ancien de ces deux procédés est-il progressivement remplacé par le second, en particulier dans les pays hors de la zone du Golfe ?

L’Osmose inverse moins coûteuse en énergie que les procédés thermiques.(la substitution dans les pays du Golfe se fait moins rapidement car l’énergie est facilement

disponible via le pétrole).Baisse du prix des équipements. Amélioration des performances des modules d’osmose

1

Quel est actuellement le coût approximatif du dessalement ?

1 dollar/m3 d’eau 1

Il existe deux méthodes pour prélever l’eau de mer avant son traitement : le « Beach Well » et le « Open Intake ».

Expliquer très simplement ces deux termes ?

« Beach Well » : Forages côtiers verticaux« Open Intake » : prélèvement de l’eau en haute mer à l’aide de pipes 2

Une des problématiques du dessalement de l’eau de mer est le rejet des concentrats.

Avec les technologies innovantes, quelle est la distance au-delà de laquelle les rejets ne perturbent pas l’écosystème aquatique ?

50 mètres 1

Partie 4 : Les réactions d’estérification

1. Les estersLa plupart des esters possèdent une propriété organoleptique valorisée dans leur usage.

Quelle est cette propriété ?

Odeur agréable de fruit 1

Le butanoate d’éthyle est un ester très utilisé dans l’industrie alimentaire.

Donner la formule topologique de cet ester.

Total page


O

O1

La réaction de formation de cet ester ou réaction d’estérification est de la forme.

Acide + alcool = butanoate d’éthyle + coproduit.

Donner la formule brute et le nom IUPAC de 2 réactifs.

acide C4H8O2 : acide butanoïque 2

alcool C2H6O : éthanol 2

Quel est le coproduit de cette réaction ?

l’eau 1

Quel est le nom de la réaction inverse d’une réaction d’estérification ?

hydrolyse 1

Une classe particulière d’esters sont les triesters résultant de l’estérification d’un trialcool, le glycérol (ou propan-1,2,3,triol) avec un acide carboxylique noté R-COOH.

Donner la formule topologique de ces triesters.

OO

R

OO

R

OO

R

2

Ces triesters dérivés du glycérol existant à l’état naturel sont les composés de base des graisses et des huiles.

Comment appelle-t-on cette famille de triesters ?

triglycérides 1

2. La réaction d’estérification2.1 On considère la réaction d’estérification : RCOOH + alcool = ester + coproduit réalisée avec 3 alcools différents. A l’équilibre les rendements trouvés dépendent de l’alcool soient 67%, 60% et 6%.

Pour chacun des 3 alcools suivants, donner leur nom dans la nomenclature IUPAC et lui associer l’un de rendements d’estérification précédents. Justifier la réponse.

Alcool Nom IUPAC Rendement

Total page


CH3CCH3

OH

CH3

2méthyl-propan-2ol 6% 2

CH2OHCH2CH2CH3Butan-1ol 67% 2

CH3CHCH2CH3

OHButan-2ol 60% 2

justification Le rendement d’une estérification diminue quand on passe d’un alcool primaire à un alcool tertiaire 1

2.2 On considère à présent la réaction d’estérification qui conduit à l’éthanoate de propyle.Ecrire la réaction de formation de cet ester en utilisant les formules brutes.

C2H4O2 + C3H8O = C5H10O2 + H2O 3

On fait réagir 6 g de l’acide avec 6 g de l’alcool en absence de catalyseur et à température ambiante .Données : Masses molaires en g.mol-1 : H : 1 C : 12 O : 16Compléter le tableau descriptif du système chimique suivant pour la réaction précédente.

acide alcool ester coproduit

Etat initial (mol) 0,1 0,1 0 0 3Etat pour l’avancement

x 0,1 - x 0,1 - x x x 1

Etat final (mol) Rendement de 100% 0 0 0,1 0,1 3

En pratique, on récupère une masse d’ester m égale à 6,8 g.

Calculer le rendement approximatif de la réaction.

M(C5H10O2) = 102 g.mol-1La masse maximale récupérable est donc de 10,2g

Le rendement de la réaction est donc égal à 6,8/10,2 soit un peu moins de 68%3

Justifier la valeur du rendement obtenue.

L’alcool mis en jeu est le propan-1ol. On retrouve le rendement d’une estérification avec un alcool primaire et dans les conditions stoechiométriques 3

2.3. On effectue la réaction précédente, avec les mêmes quantités de réactifs mais en présence d’un catalyseur.

Comment évolue le rendement de la réaction par rapport au cas de la section 2.1 ?

La présence d’un catalyseur est sans effet sur le rendement 1

Comment évolue la vitesse de la réaction par rapport au cas de la section 2.1 ?

Total page


Le catalyseur permet d’augmenter la vitesse de la réaction. 1

2.4. On effectue la réaction, toujours avec les mêmes quantités de réactifs, sans catalyseur mais à une température très supérieure.Comment évolue le rendement de la réaction par rapport au cas de la section 2.1 et pourquoi ?

L’augmentation de température est sans effet sur le rendement car l’estérification est une réaction athermique et donc sa constante d’équilibre ne dépend pas de la température. 2

Comment évolue la vitesse de la réaction par rapport au cas de la section 2.1 ?

L’augmentation de température permet d’augmenter la vitesse de la réaction. 1

2.5. On effectue la réaction en introduisant 6 g de l’acide et 12 g de l’alcool, à température ambiante et sans catalyseur.Comment évolue le rendement de la réaction par rapport au cas de la section 2.1 et pourquoi ?

Dans ce cas l’un des réactifs est en excès, on va donc déplacer l’équilibre de la réaction dans le sens de la formation des produits et donc augmenter le rendement 2

2.6. Les quantités de réactifs introduites et la température étant fixées, comment peut-on augmenter le rendement de la réaction en présence ou non de catalyseur.

Il faut déplacer l’équilibre dans le sens direct et donc éliminer les produits au fur et à mesure de la réaction. 1

. En conséquence, proposer deux méthodes pour y parvenir.

L’élimination de l’ester peut se faire par distillation (les esters ayant généralement un point d’ébullition faible).

L’élimination de l’eau peut se faire par entraînement à la vapeur (avec du cyclohexane par exemple) dans un montage de Dean Stark.

2

Partie 5 : L’eau de Javel

1. L’eau de JavelOn rappelle que l’eau de javel est synthétisée à partir du dichlore et d’une solution d’hydroxyde de sodium selon la réaction : 2Na+ + 2OH- + Cl2 = Cl- + ClO- + 2Na+ + H2O.

On appelle C la concentration molaire des ions hypochlorite ClO- dans l’eau de javel commercial et l’on considère le dosage de cette eau de javel selon le mode opératoire suivant :L’eau de Javel commerciale est diluée 20 fois. Soit (S1) la solution obtenue. On prélève V1 = 10,0 mL de (S1). On y ajoute 10 mL d’une solution concentrée d’iodure de potassium, 100 mL d’eau et 2 mL d’acide éthanoïque pur. Soit (S2) le mélange obtenu. On laisse reposer 30 minutes.

1.1. Pourquoi laisse-t-on reposer 30 minutes ?

La transformation chimique est lente 1

1.2. Les ions iodure sont oxydés en diiode et l’acide hypochloreux est réduit en ions chlorure.

. Pourquoi considère-t-on l’acide hypochloreux plutôt que les ions hypochlorite ?

Total page


L’ajout d’acide éthanoïque pur fait que l’on se place à pH faible.Dans ces conditions, les ions hypochlorite sont sous forme acide conjuguée. 1

Ecrire l’équation de la réaction qui modélise la transformation chimique ayant lieu après avoir écrit les demi-équations d’oxydo-réduction correspondantes.

1ère demi-équation 2I- = I2 + 2 e- 1

2ème demi-équation HClO + H+(aq) + 2 e- = H2O + Cl- 1

Equation-bilan HClO + H+(aq) + 2I- = I2 + H2O + Cl- 1

1.3. On dose le diiode formé dans le mélange S2 à l’aide d’une solution de thiosulfate de sodium de concentration molaire CT = 0,100 mol.L-1. On détermine ainsi une concentration molaire volumique C de l’eau de javel commerciale égale à C=1,2 mol/LL’équation de la réaction du titrage est :

I2 (aq) + 2 S2O32- (aq) = 2 I-(aq) + S4O6

2- (aq)

. Etablir la relation littérale permettant le calcul du volume de thiosulfate à l’équivalence à partir du mode opératoire utilisé et des résultats obtenus.

1

+1+1

Déterminer la valeur du volume de thiosulfate de sodium à l’équivalence Veq. Le résultat sera donné avec deux chiffres significatifs.

1

2. Oxydation d’un alcool secondaire2.1 Un peu de géométrie moléculaire !!

La représentation de Cram d'une molécule organique permet sa représentation dans l'espace : elle fait apparaître les liaisons en perspective selon les règles suivantes : une liaison, entre 2 atomes dans le plan de la feuille, est représentée par un trait plein, une liaison, entre un atome dans le plan et un atome en avant de la feuille, est

représentée un triangle plein ; une liaison, entre un atome dans le plan et un atome en arrière du plan, est représentée

par un trait en pointillé.L’atome de carbone saturé présente 4 liaisons covalentes simples dans une orientation tétraédrique régulière (tous les angles entre deux liaisons sont identiques).Le cas le plus simple est celui de la molécule de méthane dont la représentation de Cram est donnée ci-dessous.

On considère à présent une molécule présentant un atome de carbone asymétrique c’est-à-dire un atome de carbone tétraédrique qui possède quatre substituants de nature différente que l’on notera R1, R2, R3 et R4

.

Total page

http://fr.wikipedia.org/wiki/T%C3%A9tra%C3%A8dre

http://fr.wikipedia.org/wiki/Carbone

http://fr.wikipedia.org/wiki/Atome

http://fr.wikipedia.org/wiki/Atomes

http://fr.wikipedia.org/wiki/Mol%C3%A9cule


Imaginant toutes les façons possibles de disposer les 4 substituants sur les 4 liaisons d’un carbone tétraédrique, quel est le nombre d’arrangements réellement différents c’est-à-dire non superposables ?

2 1

Représenter ces différents arrangements selon la règle de Cram

R1

R2 R3

R4

R1

R3 R2

R42

Les composés trouvés ci-dessus ont la même formule brute, leurs atomes sont liés de la même façon et ils ne diffèrent que par leur configuration.

Comment peut-on les qualifier l’un par rapport à l’autre ?

Isomères de configuration (énantiomères pour les plus érudits)Ou isomères optiques ou stéréoisomères 2

Le sulcatol, est une phéromone d’agrégation de Gnathotricus retusus, insecte nuisible des bois du nord-ouest de l’Amérique. Sa formule topologique est la suivante :

OH

Donner le nom IUPAC du sulcatol.

6-méthylhept-5-én-2-ol 2

Le sulcatol présente-t-il un carbone asymétrique ? Si oui lequel ?

Oui le carbone qui porte la fonction alcool (précision indispensable) 1

2.2 Réaction d ’ oxydation du sulcatol

On oxyde le sulcatol (A) par de l’eau de Javel en milieu acide .

Quel type de composé organique (B) obtient-on et pourquoi ?

Une cétone car on oxyde un alcool secondaire 2

Equilibrer la demi-équation d’oxydo-réduction mettant en jeu le sulcatol (A) et le composé organique obtenu (B) en considérant leur formule moléculaire brute.

C8H16O = C8H14O + 2H+(aq) + 2 e- 2

L’acide hypochloreux est réduit en ions chlorure.

Ecrire la demi-équation d’oxydo-réduction correspondante.

HClO + H+(aq) + 2 e- = H2O + Cl- 1

Total page


Ecrire l’équation de la réaction de synthèse de B à partir de A et de l’acide hypochloreux.

C8H16O+ HClO = C8H14O + H+(aq) + H2O + Cl- 1

5.2.3 Purification du produit obtenu Afin de purifier le produit obtenu on réalise une recristallisation dans un mélange eau-éthanol.Expliquer le principe de la recristallisation.

Dissolution d’un solide impur dans une quantité minimale de solvant porté à ébullition suivie de la cristallisation du solide purifié par refroidissement du solvant, les impuretés restant en solution dans le solvant.

3

L’étape de recristallisation utilise un montage à reflux.Représenter un schéma de ce montage en le légendant.

1. Réfrigérant à boules2. Pince mâchoire (pour maintenir le ballon et

le réfrigérant en position [verticale])3. Ballon monocol4. Chauffe-ballon5. Système élévateur (ou valet élévateur)

Les flèches représentent l’entrée et la sortie de l'eau dans le réfrigérant

5+5

Partie 6 : Les indicateurs colorés de pHPropriétés des indicateurs colorés de pH

1. Un indicateur coloré de pH est un acide ou une base organique.

Quelle propriété fait d’un acide ou d’une base un bon indicateur coloré ?

L’acide (la base) et sa base (son acide) conjuguée n’ont pas la même couleur 1

Un indicateur coloré est généralement caractérisé par sa zone de virage qui correspond à un intervalle de pH.

. A quoi correspond approximativement la valeur médiane de cet intervalle ?

Total page

http://upload.wikimedia.org/wikipedia/commons/6/6c/Chauffage_a_reflux.png


Au pKa du couple acide-base caractéristique de l’indicateur. 1

Comment est qualifiée la teinte de l’indicateur dans sa zone de virage ?

Teinte sensible. 1

2.Quel est le nom de la technique analytique utilisée pour obtenir des courbes telles que celles du 1.3. ?

spectrométrie d’absorption moléculaire SAM 1

. Sur quelle loi fondamentale repose cette technique ?

Loi de Beer-Lambert 1

Expliciter cette loi en précisant les nom et unités des grandeurs utilisées

où A est l’absorbance (sans unité)ελ le coefficient d’extinction molaire à la longueur d’onde λ en L.mol-1.cm-1

l la longueur du trajet optique dans la solution traversée ou largeur de la cuve en cmC la concentration en mol.L-1

1+1+1+1+1

1.3. On s’intéresse à présent à un indicateur coloré que l’on appellera BBT.Les spectres d’absorption du BBT ont été déterminés à trois valeurs de pH distinctes.

Ils sont présentés sur la figure ci-contre.0

0,1

0,2

0,3

0,4

0,5

0,6

0,7

Absorbance

Longueur d'onde (nm)

BBT en milieu acide

BBT en milieu basique

.

On fournit par ailleurs ci-dessous le cercle chromatique et le spectre de la lumière visible.

Total page


A l’aide de l’ensemble de ces informations, déterminer en précisant le raisonnement les couleurs des formes acide et basique du BBT.

En milieu acide, le pic d’absorbance du BBT se situe vers 430 nm donc dans le domaine du bleu. Cela signifie que la forme acide du BBT est de la couleur complémentaire du bleu soit le

jaune.

En milieu basique, le pic d’absorbance du BBT se situe vers 600 nm donc dans le domaine du jaune. Cela signifie que la forme acide du BBT est de la couleur complémentaire du jaune

soit le bleu.

2

+2

Pour la 3ème courbe (non légendée d’absorbance du BBT, indiquer en le justifiant à quoi correspond approximativement la valeur du pH.

La 3ème courbe présente deux pics aux deux longueurs d’onde précédentes.La solution contient donc un mélange des formes acide et basique du BBT.

Son pH est donc approximativement égal à la valeur du pKa du couple3

Total page

OLYMPIADES NATIONALES DE LA CHIMIE - …users.skynet.be/jobonne/ONCEpreuve ecrite 2011 AEFE...

Documents

Transcript of OLYMPIADES NATIONALES DE LA CHIMIE - …users.skynet.be/jobonne/ONCEpreuve ecrite 2011 AEFE...