Séance 2 de révisions : Chimie PTSI (5/2)

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1 PT Lycée Benjamin Franklin mercredi 3 avril 2019 Séance 2 de révisions : Chimie PTSI (5/2) EXERCICE 1 : ATOMISTIQUE, TITRAGE ET CINÉTIQUE CHIMIQUE AUTOUR DES DERIVES HALOGENES Des matières plastiques (PPPPPP) aux produits phytosanitaires, des solvants (dichlorométhane PPCC 2 PPCC 2, chloroforme PPCCPPCC 3 ) à l eau de Javel, les halogènes entrent dans la composition de nombreuses espèces chimiques. Ils apparaissent dans des corps simples sous forme d ions halogénure (ions chlorure PPCC dans le sel de table, ions fluorure FF dans le dentifrice) ou de dihalogènes. 1. QUELQUES ASPECTS DE LA CHIMIE DES HALOGENES Le brome BBBB est situé dans la 4 ème période de la classification périodique des éléments, dans la 17 ème colonne, au-dessous du chlore PPCC et au-dessus de l iode II. Q1. Ecrire la configuration électronique fondamentale de l iode et identifier ses électrons de valence. Q2. A partir de la position des halogènes dans la classification périodique des éléments, classer les dihalogènes PPCC 2, BBBB 2 et II 2 par ordre de pouvoir oxydant croissant. Q3. A l aide du tableau ci-dessous, élaborer un protocole permettant de montrer qualitativement l évolution du caractère oxydant des dihalogènes. PPCC 2(aaaa) BBBB 2(aaaa) II 2(aaaa) (sous forme d ions II 3(aaaa) en présence d ions iodure II (aaaa) ) Couleur Jaune pâle Orange Brun (KK + + PPCC ) (aaaa) (KK + + BBBB ) (aaaa) (KK + + II ) (aaaa) Couleur Incolore Incolore Incolore Q4. Proposer un schéma de Lewis pour chacune des espèces chimiques suivantes : - dichlore PPCC 2 - Acide hypochloreux PPCCCCCC - Ion triiodure II 3 Donnée : Numéro atomique de l oxygène CC ZZ = 8 A 298 K, le dichlore est un gaz, le dibrome est un liquide et le diiode est un solide. Q5. Interpréter ces propriétés physiques par l analyse des forces intermoléculaires.

2 2. SUIVI CINETIQUE DE LA DECOLORATION DE L ERYTHROSINE B L érythrosine B () est un colorant azoïque apparenté à l éosine et utilisé pour colorer les aliments ou pour teinter les préparations microscopiques et les médicaments. L ensemble des manipulations est réalisé à 8 KK. Données à : (PPCCCC (aaaa) PPCC (aaaa) ) = 8 PP (II 2(aaaa) II (aaaa) ) = PP ( CC 2 (aaaa) 2 CC 2 3(aaaa) ) = 8 PP 2.1. Dosage de la solution d hypochlorite de sodium commerciale Après avoir introduit un volume PP = de la solution d hypochlorite de sodium commerciale ( + + PPCCCC ) aaaa dans une fiole jaugée de volume PP =, on complète avec de l eau distillée jusqu au trait de jauge. A un volume PP = de cette solution fille, on ajoute environ d une solution d iodure de potassium (KK + + II ) aaaa à 15% en masse et d acide éthanoïque PPCC 3 PPCC 2 CC (aaaa) à CC. L échantillon obtenu est titré par une solution de thiosulfate de sodium ( CC 3 2 ) aaaa de concentration PP = 2 CC : le volume équivalent est égal à PP =. Q6. Proposer une équation pour la réaction entre les ions hypochlorite PPCCCC (aaaa) Prévoir qualitativement le caractère favorisé ou défavorisé de la réaction. et les ions iodure II (aaaa). Q7. Proposer une équation pour la réaction de titrage du diiode II 2(aaaa) par les ions thiosulfate 2 CC 2 3(aaaa). Prévoir qualitativement le caractère favorisé ou défavorisé de la réaction. Q8. Sachant que les ions iodure et l acide éthanoïque sont introduits en excès, déterminer la concentration en ions hypochlorite dans la solution commerciale Suivi cinétique de la décoloration de l érythrosine B On prépare dans quatre béchers les solutions suivantes : Solution n Solution d hypochlorite de sodium commerciale Eau distillée 8 A chacune des quatre solutions précédentes, on ajoute à un instant pris comme origine des temps d une solution aqueuse d érythrosine B () de concentration 8 CC (la concentration initiale en érythrosine B après mélange vaut donc = 8 CC ). On suit alors l évolution temporelle de l absorbance à, longueur d onde pour laquelle on considère que seul le colorant azoïque absorbe. La décoloration de la solution est due à la réaction supposée totale d équation : + PPCCCC (aaaa) BB CC BB Connaissant le coefficient d absorption molaire de l érythrosine B à cette longueur d onde ( = 8 CC ), on détermine l évolution temporelle de la concentration en érythrosine B. On suppose que la loi de vitesse s écrit sous la forme : = PPCCCC

3 Q9. En comparant les concentrations initiales de réactifs, proposer une expression simplifiée de la loi de vitesse. On note aa la constante de vitesse apparente. Q10. Dans l hypothèse où est égal à 1, écrire l équation différentielle régissant l évolution temporelle de la concentration en érythrosine B et donner sa solution. Q11. Dans l hypothèse où est égal à 2, écrire l équation différentielle régissant l évolution temporelle de la concentration en érythrosine B et donner sa solution. 2 ( ) CC 2 2 = 3 2 = CC ( CC ) 2 = = ( ) Q12. A partir des deux courbes précédentes obtenues à partir de la solution, déterminer la valeur probable de. En déduire la valeur de la constante de vitesse apparente aa à 8 KK, en précisant l unité choisie. On exploite de même les résultats des manipulations,, et. Solution PPCCCC ( CC ) 8 aa ( II )? Pour une manipulation analogue correspondant à une concentration initiale en ions hypochlorite PPCCCC égale à CC, la constante de vitesse apparente aa serait égale à 3 II. Q13. Déterminer la valeur de l ordre partiel et la valeur de la constante de vitesse à 8 KK, en précisant l unité choisie.

4 EXERCICE 2 : ATOMISTIQUE, CRISTALLOGRAPHIE Les piles à combustibles à oxyde solide permettent d avoir en contact deux phases : solide et gazeuse, ce qui supprime les problèmes liés à la gestion de 3 phases, notamment la corrosion. Les électrodes sont poreuses de façon à permettre un transport rapide des gaz. Un matériau de choix pour l électrolyse est l oxyde de zirconium, appelé zircone, stabilisé à l yttrium. 8. Le zirconium se situe dans la classification périodique dans la colonne du titane, directement en dessous de cet élément. Indiquer à quelle famille d éléments appartient le zirconium. 9. Indiquer la configuration électronique fondamentale du titane et celle du zirconium. 10. Énoncer les deux règles utilisées pour établir ces configurations électroniques. La zircone peut être assimilée à un cristal ionique formé de cations Zr 4+ et d anions O 2 assimilés à des sphères dures de rayons respectifs r + et r. Les cations sont distribués aux nœuds d un réseau cubique face centrée cfc. 11. Représenter la maille conventionnelle d une structure de cations cfc. Indiquer le nombre de cations par maille. 12. Donner sans démonstration la compacité d une telle structure dans le cas d une maille métallique. Commenter. 13. Indiquer où se situent les sites tétraédriques de cette maille. Combien y en a-t-il? 14. Exprimer le rayon minimal r de la particule sphérique pouvant s insérer dans ces sites sans induire de déformation en fonction de a, le paramètre de la maille et de r +. Les anions occupent tous les sites tétraédriques de la maille cfc formée par les cations. 15. Déterminer le nombre d anions O 2 contenus dans cette maille. 16. Indiquer alors la formule de la zircone. 17. Donner la coordinence d un anion par rapport à un cation, et des cations par rapport aux anions. 18. Exprimer la masse volumique de la zircone en fonction du paramètre de la maille a, de la masse molaire M Zr du zirconium et de la masse molaire M O de l oxygène et du nombre d Avogadro N A. I.3 Dopage par l oxyde d yttrium La formule de l oxyde d yttrium est Y 2 O En déduire la charge du cation yttrium. 20. Le dopage consiste à substituer dans la maille élémentaire de l oxyde de zirconium une fraction molaire x des cations Zr 4+ par des cations yttrium. Expliquer pourquoi l électroneutralité de la structure n est alors pas respectée. 21. Proposer une modification de la formule chimique impliquant le nombre d anions O 2 présents dans la zircone dopée à l oxyde d yttrium, au moyen de x, pour rétablir cette électroneutralité.

5 EXERCICE 3 : SPECTROPHOTOMETRIE ET CONDUCTIMÉTRIE

6 Annexe numérique : Masses molaires : MH = 1,00 g.mol -1 ; MC = 12,0 g.mol -1 ; MO =16,0 g.mol -1 ; MCa = 40,1 g.mol -1 ; MFe = 55,8 g.mol -1. Constante d'avogadro NA = 6, mol -1 Constante molaire des gaz parfaits : R= 8,31 J.mol -1.K -1 pk s (AgCl) = 9,7. E Ag + /Ag = 0,80 V. Conductivités molaires équivalentes limites λ i ( attention aux unités! ) Ag + Cl - NO - 3 λ i en ms.m 2.mol -1 6,2 7,6 7,1