DEVOIR SURVEILLE. Corrigé

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1 DEVIR SURVEILLE 3 Corrigé 1) Les alcalins. 2) 1 ère colonne : dernier électron placé : s 1. 4 ème ligne : n max = 4. n en déduit : 1s 2 2s 2 2p 6 3s 2 3p 6 4s 1 donc Z = 19. 3) L électronégativité du chlore est très supérieure à celle du potassium (cf leur position) donc on peut s attendre à liaisons ioniques, un solide ionique. Les ions attendus (couches complètes) sont respectivement K + et Cl et donc comme le solide doit être neutre on peut proposer KCl (s). 4) : 1s 2 2s 2 2p 6 3s 2 3p 3. Il y a donc 5 électrons de valence et 3 électrons célibataires (par application de la règle de und). 5) n privilégie des formules mésomères avec le moins de charges possibles (et les charges négatives sur les atomes de phosphore, plus électronégatifs) :...

2 6) L ion est un hybride des quatre formules mésomères ci-dessous : les quatre liaisons sont de même longueur (intermédiaire entre - et =) et les liaisons se repoussent de manière équivalente d où un environnement strictement tétraédrique autour de l atome de phosphore (angle de 109,5 ). 7) n peut proposer les formules mésomères (on se limite aux plus représentatives) :... 8) Les liaisons sont toutes des hybrides simple/double sauf les deux liaisons centrale qui sont simples donc a priori plus longues. 9) Un système fermé ne peut échanger aucune matière avec le milieu extérieur. En revanche, des échanges d énergie sont possibles avec le milieu extérieur (sous forme de chaleur par exemple). 10) L équation (1) : 3 2(g) + 2(g) = 2 3(g) 11) L état final d un système est l état atteint par le système lorsque les différentes grandeurs d état descriptives (, T et quantités de matière) deviennent constantes et qu il n y a plus d échange avec le milieu extérieur ; l évolution est terminée. 12) Cf ci-dessous. 13) Si on introduit n 0 moles de diazote, comme l énoncé précise que les réactants sont en proportions stœchiométriques, cela signifie que la quantité initiale de dihydrogène vaut (n 2 ) 0 = 3n (g) + 2(g) = 2 3(g) t = 0 3n 0 n 0 0 Etat final 3n 0 3ξ n 0 ξ 2ξ Etat final 3n 0 (1 α) n 0 (1 α) 2n 0 α 14) D après le tableau, plus la température du sytsème est élevée, plus la constante K est faible. r si la constante K est plus faible, l avancement ξ sera plus faible (car Q r est une fonction croissante de l avancement ξ et Q ref = K), donc pour la synthèse de l ammoniac il parait judicieux de travailler à basse température. 15) Il est vraisemblable qu à basse température la réaction soit beaucoup trop lente : il faut donc chauffer (mais pas trop sinon l avancement risque d être très mauvais ). our ne pas avoir à trop chauffer on utilise (voir schéma) un catalyseur. Le compromis trouvé est : T = 450 C. 16) n peut écrire qu à l équilibre : (Q r ) éq = ( 2 3 ) éq or chaque pression partielle vérifie : ( 2 ) 3 éq ( 2 ) éq i = n i RT V = x i tot = n i n tot,gaz tot 17) ote : il est bon de maitriser les deux expressions de la pression partielle, en fonction de la pression totale ou par application de la loi des G. n a : n tot,gaz = 3n 0 (1 α) + n 0 (1 α) + 2n 0 α = 2n 0 (2 α)

3 En remplaçant dans l expression du quotient réactionnel on trouve : (Q r ) éq = (n 3 ) 2 éq (n tot,gaz ) 2 éq 2 (n 2 ) 3 2 éq (n 2 ) éq tot (Q r ) éq = 16α2 (2 α) (1 α) 4 2 tot 19) Contexte : Q r est une fonction croissante de l avancement ξ (donc de ) et Q ref = K alors que Q r0 = 0. Une augmentation de pression fait diminuer la valeur de Q r (cf. cidessus) et donc pour «compenser» il faut un avancement plus important! Donc augmenter la pression totale est une bonne idée pour augmenter le rendement. 20) Soit on résout directement à la calculatrice, soit on prend la racine carrée : 18) 4α(2 α) 27(1 α) 2 tot = ± K La seule solution valable est : α = 0, 40 (car 0 < α < 1). 21) D après les informations fournies dans le document ( prewarmed by the heat of raction), la réaction est exothermique. C est un avantage car cela fait des économies (if faut porter les gaz à 450)C pour des problèmes de cinétique) à condition que la réaction ne soit pas «trop» exothermique (danger). 22) D après les informations fournies dans le document, la réaction de synthèse de l ammoniac n est pas naturellement rapide. Il faut faire la réaction à 450 C et en présence de catalyseur (note : cela signifie aussi que la réaction n a lieu que dans le réacteur et pas ailleurs dans l unité de production) 23) Il faut du temps pour atteindre l état final. Il est vraisemblable qu ici les gaz ne restent pas assez longtemps dans le réacteur. 24) Cf. ci-dessous. 25) En sortie de réacteur («reactor»), il reste donc beaucoup de diazote et de dihydrogène qui n ont pas réagi. lutôt que de les perdre, si on regarde le schéma de l unité, on voit qu à la sortie on sépare l ammoniac (qui se liquéfie bien plus facilement que le diazote et le dihydrogène en raison de sa température d ébullition plus haute, dans le «condenser», une sorte de réfrigérant à eau) et le diazote et le dihydrogène qui n ont pas réagi sont renvoyés vers le réacteur. Le diazote et le dihydrogène recyclés sont, avant d être renvoyés au réacteur, réchauffés, par transfert d énergie sous forme de chaleur avec le mélange qui sort du réacteur qui lui doit être refroidi (pour préparer la liquéfaction de l ammoniac) au niveau du «heat exchanger» l unité est donc construite pour ne pas gaspiller inutilement d énergie! 26) n peut proposer le schéma de Lewis de la molécule d ammoniac suivant : Le dnl est plus volumineux/répulsif et donc l angle entre les liaisons - est un peu inférieur à 109,5. 27) L atome d azote est plus électronégatif que l hydrogène d où les charges partielles indiquées. Ensuite, soit vous faites la somme des vecteurs (les trois vont «vers le bas», la somme ne peut pas faire zéro) soit vous chercher le barycentre des charges positives et négatives pour voir s ils sont confondus

4 La molécule est polaire : -3 tot barycentre négatif tot barycentre positif 28) Cf. cours. 29) n peut proposer le diagramme de phases (ordonnée, abscisse T) de l ammoniac : Solide Liquide 112 bar 8,57 bar 1,013 bar C 6,06ka = 0,0606 bar T Gaz 195,2 K 195 K K 405 K 30) D après le diagramme l ammoniac est sous forme liquide d où un gain de place très important! Mais il faut des citernes résistantes à la pression ou capable de maintenir la température très basse (échange de chaleur très limité avec le milieu extérieur!) : coût, danger 31) = ) Schéma de Lewis de l ion nitrate 3 : T L ion nitrate est trigonal plan (angles de 120 ) (et les liaisons sont toutes les trois de même longueur, intermédiaire entre simple et double) 33) Une molécule est chirale si elle n est pas superposable à son image dans un miroir. 34) Le (-) dans le nom de la molécule «acide (-)-jasmonique» indique que la molécule est lévogyre (pouvoir rotatoire spécifique [α] 0 < 0) 35) Cf ci-dessous. 36) n a : R 1 4 Z C C > C CC > C C R 4 2 C CC > C C > C C pour classer les deux derniers on va voir un rang plus loin : C > C C

5 37) n peut envisager 7 autres stéréo-isomères de configuration de cette molécule : (celui déjà présenté). 38) L énantiomère de l acide (-)-jasmonique : 39) L énantiomère a exactement les mêmes propriétés physiques (sauf le pouvoir rotatoire spécifique ; ils sont opposés pour les deux énantiomères) et chimiques (sauf vis-à-vis d une molécule chirale). 40) L ester est plus «gros» donc a priori plus polarisable que l acide les interactions de Van der Waals entre molécules d ester devraient être plus intenses et le composé moins volatil r c est le contraire car entre les molécules d acide il peut y avoir des liaisons hydrogène, qui compensent plus que largement les interactions de Van der Waals un peu plus faibles Fin du corrigé ***