XXVII es Olympiades Nationales de la chimie

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1 1 XXVII es Olympiades Nationales de la chimie Épreuve du CONCOURS REGIONAL Académie de Caen Thème "Chimie et eau" Durée 2h Mercredi 5 janvier 2011 Le candidat attachera la plus grande importance à la clarté, à la précision et à la concision de la rédaction. Les calculatrices sont autorisées Répondre directement sur ce document Les questions sont pour la plupart indépendantes, mais la lecture attentive de certaines d entre elles peut donner des éléments de réponses pour d autres. Il est important de faire l ensemble des exercices et de traiter le maximum de questions en relation avec les 2 documents joints à ce questionnaire. Données : Numéro atomique Z : H : 1 ; C : 6 ; N : 7 ; O : 8 ; Cl : 17 ; Ca : 20 ; Mg : 12 Masses atomiques en g mol 1 : H : 1,0 ; C : 12,0 ; N : 14,0 ; O : 16,0 ; Na : 23 ; Cl : 35,5 ; Ca : 40,0. Échelle d électronégativité selon Pauling : H 2,1 ; O 3,5 ; S 2,5 ; 1 cal = 4,18 J Équation d état des gaz parfaits PV=nRT avec R = 8,315 J mol 1 K 1 ; V = 22,4 L (cond. TPN) L eau est présente dans tout le cosmos, sous forme de glace ou de vapeur. La Terre est la seule planète du système solaire à posséder l eau liquide. Nantie de propriétés originales, en mouvement permanent entre ses différents réservoirs, indispensable à l éclosion de la vie et à son maintien au sein des écosystèmes aquatiques et sur les continents, nécessaire à nombre d activités humaines, l eau est une substance essentielle à la survie et au développement de l humanité. L'écosystème de l'eau est considéré comme l'unité de l'environnement dans laquelle sont entretenus, grâce à la lumière du soleil, une communauté biologique (production, consommation, décomposition des organismes vivants), ainsi que le cycle des substances nécessaires à la vie. Dans les cycles des roches et du milieu vivant, l'eau est considérée comme un réactif chimique, un solvant et un moyen de transport. Partie A : Autour de l eau Exercice 1. Architecture moléculaire 1) Donner la définition du numéro atomique d un élément. 2) Établir la configuration électronique, dans l'état fondamental, des atomes de la molécule d'eau et énoncer une définition générale pour les électrons de valence. 3) En déduire la représentation de Lewis de la molécule d'eau. 4) Décrire, à partir du modèle V.S.E.P.R., la forme géométrique de la molécule d eau. Justifier la valeur numérique de l'angle α entre les liaisons OH qui est égal à 104,5. 5) Donner une définition simple de l électronégativité d un atome engagé dans une liaison. Quelle propriété particulière en résultetil pour la molécule d eau? Rappelezvous qu un mince filet d eau est dévié à l aide d une règle électrisée. 1

2 2 On admet en première approximation que le moment dipolaire de la molécule d'eau est la somme géométrique des moments dipolaires de chaque liaison OH et que le moment dipolaire d'une liaison s'exprime en Debye, par le même nombre que la différence des électronégativités des deux atomes liés. Données : Différence d'électronégativité entre les éléments O et H : 3,5 2,1 = 1,4 D Moment dipolaire de la liaison OH : Il est symbolisé par un vecteur dirigé suivant la liaison OH, de O vers H (convention des physiciens). 6) Calculer en debye, un ordre de grandeur du moment dipolaire µ de la molécule d'eau. 7) Dans l eau liquide, les molécules sont associées les unes aux autres et forment des paquets plus ou moins grands qui se font et se défont en permanence. Comment appelleton ces liaisons intermoléculaires? Faites un schéma avec 3 ou 4 molécules d eau qui illustre l existence de ces associations entre molécules d eau. 8) Dans les conditions de température et de pression qui règnent sur la Terre, le dihydrogène sulfuré, H 2 S, est gazeux alors que l eau est liquide. En déduire une définition générale pour décrire le type de liaisons entre les molécules d eau à l état liquide. 9) La technique de lyophilisation permet de conserver pendant de longues périodes des substances fragiles, produits alimentaires, souches microbiennes, plasma sanguin, etc. En quoi consistetelle? Exercice 2. Étude des propriétés acidobasiques du solvant eau On considère une solution aqueuse S 1 d hydroxyde de sodium à 10 moles par litre, et une solution aqueuse S 2 d acide chlorhydrique à 0,02 mole par litre à 25 C. 1) Quelle masse de soude solide est nécessaire pour préparer un litre de solution S 1? 2) Pour préparer la solution diluée d acide chlorhydrique S 2, on utilise une solution commerciale S 3 à 37% en masse et de densité d = 1,19. Rappeler ce qu est une fraction massique. Déterminer le volume de solution commerciale S 3 qu il faut prélever pour obtenir un litre de solution diluée S 2 à 0,02 mole par litre. 3) On ajoute 6 gouttes de la solution basique S 1 à un litre de solution acide S 2. Sachant que le comptegouttes de la burette délivre 1 ml pour 20 gouttes, calculer la concentration en ions H 3 O + dans la solution d acide après cet ajout. 4) Combien de gouttes faudratil verser pour avoir une solution neutre au sens du ph? Exercice 3. Conductivité de l'eau pure. 1) Écrire l équation de la réaction traduisant l équilibre d autoprotolyse de l eau pure en spécifiant les couples acide / base. 2) Calculer à 25 C la conductivité théorique σ de l eau pure en précisant son unité. Données : Conductivité molaire ionique : λ HO = 2, et λ H3O + = 3, en S m 2 mol 1. 3) Au laboratoire, la mesure de la conductivité de l'eau distillée à 25 C est environ 30 fois supérieure à la valeur calculée. Que peuton en conclure? 2

3 3 Partie B : Autour de la dépollution de l eau Document 1 : Comment rendre l eau potable? Patricia Chairopoulos Hors Série Sciences et vie, n 211, juin 2000 Les ressources en eau superficielles sont plus vulnérables aux pollutions et susceptibles de contenir, en quantités non négligeables, des matières organiques, des pesticides, du manganèse, du fer, des métaux lourds, des algues [...]. Première étape : Débarrasser l'eau des substances solides, à la fois responsables de sa couleur et de sa turbidité (sédiments secs en suspension). [...] Après avoir retiré les plus gros éléments par dégrillage et tamisage, on agrège les microparticules à l'aide d'un coagulant. En brassant l'eau, les flocons s'agglomèrent. Entraînés par leur poids, ils se déposent dans les décanteurs, grands couloirs que l'eau parcourt lentement. Au terme de ce trajet, l'eau est déjà plus claire. Enfin une filtration au travers d'une épaisse couche de sable la nettoie des dernières particules. [...] Seconde étape : Neutraliser les nitrates et les pesticides. Cette opération est relativement bien maîtrisée grâce à l'utilisation de charbon actif (il les fixe à sa surface poreuse via des forces électrostatiques). [...] Troisième étape : Éliminer les germes pathogènes qui représentent un risque à court terme. Deux procédés classiques la chloration et les rayonnements ultraviolets détruisent la quasitotalité des bactéries. [...] Les virus, quant à eux, sont éliminés ou inactivés par une ozonation, l'ozone disposant d'un fort pouvoir oxydant. Note additionnelle et personnelle : On peut également éliminer certains éléments indésirables par des cultures bactériennes appropriées. Question 1. Saisir les informations et raisonner. Mobiliser ses connaissances. a) Définir le terme pesticide. b) Préciser brièvement l'intérêt de l'emploi des pesticides pour l'agriculteur. c) Citer une autre catégorie de substances employées en agriculture pouvant être à l'origine d'une pollution de l'environnement. d) Nommer les différents agents responsables de la pollution de l'eau. e) Citer les noms des deux procédés de purification intervenant dans la première étape de dépollution de l'eau. f) Les différentes techniques mentionnées dans le document peuvent être classées en 4 types de procédés de base. Associer à chacun d eux les techniques utilisées en complétant les phrases cidessous : Les procédés physiques comme.. Les procédés physicochimiques avec.. Les procédés chimiques où des agents.. Les procédés biologiques où.. Question 2. Utiliser ses connaissances. Il est parfois nécessaire de corriger la dureté (et l'acidité) de l'eau obtenue après dépollution afin de protéger les canalisations de distribution d'eau. 3

4 4 a) Donner le nom et la formule des ions responsables de la dureté de l'eau. Quel réactif peuton utiliser pour réaliser le dosage de ces ions? b) Quelle conséquence a la présence de ces ions sur les canalisations? Question 3. Un des traitements utilisé pour adoucir l eau du robinet est un traitement physique par passage sur une résine échangeuse d ions. Cette résine, constituée de polystyrène préalablement traité par action de l acide sulfurique concentré, est gorgée d eau et ensuite saturée en chlorure de sodium. Au contact d une eau dure, il se produit des réactions d échange entre ions. a) Comment peuton quantifier ces échanges? Il s agit d exprimer le nombre d ions sodium pouvant être échangés avec les ions des eaux dures. bb) Le styrène a pour formule : HC CH 2 Quelle est la formule du polystyrène? c) Citer une autre application du polystyrène. d) Il existe un autre polymère particulièrement avide d eau. Ce super absorbant est le polyacrylate de méthyle de formule : Quelle est la formule développée du monomère correspondant? H 2 C CH n CO 2 Me Exercice 4. Une diète hydrique L eau de consommation n a pas de valeur nutritive. Cependant boire de grandes quantités d eau froide constitue une façon simple de perdre du poids car l organisme doit amener cette eau à 37 C en consommant l énergie libérée par la combustion de glucides ou de lipides. 1) Donner la définition complète de la calorie (cal). 2) Calculer l'énergie calorifique en Joules fournie par l'organisme pour élever un litre d'eau liquide de 0 à 37 C? (1 cal = 4,18 J) 3) La valeur énergétique d une substance est l énergie ou quantité de chaleur exprimée en Joules (J) dégagée par la combustion complète d une masse de 1 g de cette substance. La combustion d une mole de glucose C 6 H 12 O 6 libère 2821 kj et produit du dioxyde de carbone et de l eau. a) Écrire la réactionbilan de la combustion d une mole de glucose. b) Quelle est la valeur énergétique du glucose exprimée en kj/g. 4) Sachant que l apport énergétique des lipides est de 39 kj g 1, quelles quantités de glucose et de graisses corporelles faudratil consommer pour amener un litre d eau de 0 à 37 C? 4

5 5 Partie C : Autour d une eau de pluie La dissolution lente et progressive dans de l eau pure du dioxyde de carbone présent dans l air montre une diminution de ph de cette eau jusqu à une valeur constante de 5,7. Exercice 5. Les pluies acides Un équilibre s établit entre le CO 2 présent dans l air et le CO 2 dissout dans l eau que l on notera H 2 CO 3 aq ( = CO 2,H 2 O). L équation de la réaction entre le CO 2 dissout et l eau s écrit : H 2 CO 3aq + H 2 O = HCO 3 aq + H 3 O + aq Réaction (1) 1) Écrire les couples acidobasiques mis en jeu dans la réaction (1). 2) Exprimer la constante d acidité K a qui lui est associée. 3) Démontrer à partir de l expression précédente de K a la relation suivante : ph = pka + log ([HCO 3 aq ] / [H 2 CO 3aq ] 4) Calculer la valeur du quotient [HCO 3 aq ] / [H 2 CO 3aq ] pour de l eau acidifiée à ph = 5,7 sachant que le pka est égal à 6,4. Quelle est l espèce prédominante? 5) Tracer sur un axe de ph le diagramme de prédominance des espèces HCO 3 aq et H 2 CO 3aq. 6) Pour la réaction (1), compléter le tableau d avancement en fonction de V (volume considéré d eau pure) et de C (concentration apportée en CO 2 ). État Avancement H 2 CO 3aq + H 2 O = HCO 3 aq + H 3 O + aq (mol) initial Solvant intermédiaire à l équilibre en large excès 7) Donner la relation entre [HCO 3 aq ] et [H 3 O + aq] à l équilibre et en déduire la valeur numérique de [HCO 3 aq ] éq. 8) Déterminer la valeur de [H 2 CO 3aq ] et en déduire celle de C. Partie D : Chimie et spéléologie Document 2. Comment se forment les grottes, les stalactites et les stalagmites? "La grotte constitue un exemple spectaculaire d un écosystème alimenté non pas par la lumière mais par la chimie inorganique" C.Petit, US news and World Report, 9 Fév 1998, p.59. Lyonnaise des Eaux CR DHM Septembre 2006 La minéralisation d une eau définit à la fois la quantité d éléments qui y sont solubilisés et la nature de ces éléments. [...] Durant le parcours de l eau dans le milieu naturel, ses propriétés physicochimiques vont évoluer. Sous l effet du lessivage des roches (érosion), il va s établir un équilibre entre la composition du terrain et celle de l eau le long du cheminement dans un bassin versant par un processus de dissolution d éléments constitutifs des terrains. Les propriétés physicochimiques des eaux sont ainsi étroitement liées à la nature géologique des sols traversés. [...] Dans la plupart des cas, une eau circulant dans des soussols sablonneux ou granitiques est acide et peu minéralisée. Autrement, une eau circulant dans des sols de nature karstique est moyennement à fortement minéralisée, on parle alors d eau bicarbonatée calcique du fait de la teneur élevée en calcium lié aux carbonates.. Données : couples acide/base : CO 2,H 2 O / HCO 3 et HCO3 / CO3 2 5

6 6 Le calcaire est constitué de carbonate de calcium CaCO 3, insoluble dans l'eau. L'hydrogénocarbonate de calcium de formule Ca 2+, 2(HCO 3 ) est soluble dans l'eau. Étudions comment les grottes se forment et comment se créent les concrétions calcaires. Question 1. La karstification. C est le phénomène de dissolution des calcaires par des eaux chargées en gaz carbonique. Ce phénomène conduit entre autres à la formation de grottes, avens, lapiaz... et autres formes bizarroïdes que les spéléologues adorent explorer. L'air contient du CO 2 qui se dissout en partie dans les eaux de ruissellement, le dioxyde de carbone dissout s'écrit alors : CO 2,H 2 O Expliquez la formation de fissures puis de cavernes quand ces eaux "acides" traversent des roches calcaires à l'aide d'une réaction acidobasique dont vous donnerez l'équation. Question 2. Création des concrétions calcaires. a) À l'issue de leur traversée des couches calcaires, le calcaire et le dioxyde de carbone se sont transformés en une espèce chimique dissoute dans les eaux du ruissellement. Quelle est cette espèce? Comment l appelleton? b) Cette espèce est ampholyte. Elle est capable de réagir sur ellemême. Écrire l'équation de cette réaction acidobasique. c) Quand une goutte d'eau de ruissellement stagne au plafond de l'aven ou au fond, le CO 2 quitte progressivement la solution. Il ne reste donc que des ions CO 3 2 et des ions Ca 2+ provenant du calcaire de la paroi. Expliquez la formation de ces concrétions. Identifier les concrétions calcaires par leur nom en face des flèches. Exercice 6. En spéléologie, l acétylène C 2 H 2 est fabriqué par réaction totale du carbure de calcium CaC 2 avec l eau (réaction 1). Il est ensuite enflammé au niveau du casque du spéléologue par une étincelle. On considère les deux réactions(1) et (2) à 298 K. Réaction (1) : CaC 2(s) + H 2 O (l) C 2 H 2(g) + Ca(OH) 2(s) Réaction (2) : C 2 H 2(g) + O 2(g) CO 2 (g) + H 2 O (l) 1) Équilibrer les 2 réactions. 2) Quelle est la formule développée de l acétylène? 3) Le réservoir d un spéléologue est rempli de 5 moles de CaC 2(s). a) Quelle est la masse d eau minimale en g que le spéléologue doit emporter pour que tout le CaC 2 réagisse? b) Quel volume d acétylène dans les conditions TPN (O C, 1 atm) peuton alors former? 6

7 7 Parmi les Prix Nobel de Chimie français cidessous, identifier l intrus. Victor Grignard Marie Curie JeanMarie Lehn Georges Charpak Exercice final. Comment s appelle le dernier Prix Nobel français de Chimie? Autour de l eau Décomposition chimique d un corps pur par fixation d eau. 2. Caractérise une eau froide et riche en O 2 dissous où vivent en particulier les saumons. 3. Qualifie une eau formée d un mélange de HNO 3 conc. et de HCl con. qui peut dissoudre l or et le platine. 4. Phénomène de diffusion à travers une membrane semiperméable utilisé dans le dessalement de l eau de mer. 5. Nom donné au carbonate naturel de calcium. 6. Partie de la Terre occupée par l ensemble des êtres vivants. 7. Nom donné à la partie du littoral situé entre les plus hautes et les plus basses mers. 8. Qualifie une eau fortement salée. 9. Phénomène qui accompagne la dissolution de l aspirine dans l eau. 10. Nom donné à l ion formé par hydratation du proton. 11. Caractérise par exemple un sérum artificiel de même concentration moléculaire que le sérum sanguin. L'eau est le solvant dans lequel la nature effectue toutes les transformations chimiques liées à la vie. "L'eau n'est pas la source de la vie, elle est la vie" Antoine de SaintExupéry Pour la prochaine Olympiade de Chimie : La chimie.l eau.la vie. Je suis la fée de la matière. Je suis la clé de la vie. Qui suisje?. FIN de l énoncé Bon courage 7

8 8 Correction partielle Partie A : Autour de l eau Exercice 1. 1) Nombre de protons 2) Nombre de liaisons simples que peut contacter un atome ou d électrons correspondant à la valeur de n la plus grande 4) en V, les DNL sont plus encombrants que les doublets liants 5) Aptitude à attirer les électrons de liaisons, polaire 6) µ = 2 µ OH cos 104,5/2 avec µ OH = 1,4 D soit µ 1,7 1,8 D 8) Liaison H : interaction électrostatique entre un atome H situé sur un atome électronégatif et un autre atome électronégatif 9) Surgélation puis déshydratation sous vide (sublimation de la glace). Exercice 2. 1) m (NaOH) = 400 g, 2) S 3 : % HCl = m HCl / m(1lsol HCl) ; S 2 à 0,02 M soit prélever 1,66 ml de S 3 à 12,06 M (=440,3 g HCl), 3) il reste mole H + 4) 40 gouttes Exercice 3. 2) [HO ]=) [H 3 O + ]=10 7 mol/l ou 10 4 mol/m 3 ; σ = (10 4 )+ 3, (10 4 ) = 5,5.106 S.m1 3) Présence d autres ions (CO 2 dissout donne HCO 3 ). Partie B : Autour de la dépollution de l eau Question1. a) pdt chimique pour lutter contre les parasites animaux et végétaux des cultures b) augmentation du Rdt c) Engrais d) Métaux, pesticides, Comp. Organ. et algues e) décantation/filtration f) filtration sur lit de sable/filtres à C actif, coagulationfloculation "le floc" Chlore/ozone Bactéries Question 2. a) Ca 2+ / Mg 2+ b) Entartrage Question 3. a) 2 Na + / Ca 2+ c) CH 2 =CHCO 2 Me Exercice 4. 1) Quantité de chaleur pour élever 1 g d eau d 1 C ( 4) 2) Q = mcδt soit 154,66 kj 3) a. C 6 H 12 O 6 + O 2 6 CO H 2 O b. 2821/180=15,7 kj/g 4) 10 g(gluc.) et 4 g (lipides) Partie C : Autour d une eau de pluie Exercice 5. 1) H 2 CO 3aq / HCO 3 aq, H 3 O + aq/h 2 O (l) 2) Ka =[HCO 3 aq ] [H 3 O + aq]/ [H 2 CO 3aq ] 3) Prendre le log de Ka 4) log[hco 3 aq ] / [H 2 CO 3aq ] = ph pka = 5,76,4 = 0,7 et le quotient [HCO 3 aq ] / [H 2 CO 3aq ] = 10 0,7 = 0,20 6) État Avancement (mol) H 2 CO 3aq + H 2 O = HCO 3 aq + H 3 O + aq initial 0 CV Solvant 0 0 intermédiaire x CVx en large x x à l équilibre x f CV x f excès x f x f 7) [HCO 3 aq ] éq / [H 3 O + aq] éq = x f /V = 10 ph = 10 5,7 = mol/l 8) [H 2 CO 3aq ] éq = [HCO 3 aq ] éq / 0,2 = / 0,2 = 10 5 mol/l, conservation de l élément carbone : C = [HCO 3 aq ] éq + [H 2 CO 3aq ] éq = = 1, mol/l Partie D : Chimie et spéléologie 2 Question 1. CO 3 + (CO2,H 2 O) 2 HCO 3 Question 2. a) ion hydrogénocarbonate HCO 3 b) HCO HCO 3 CO3 + (CO2,H 2 O) c) l eau stagnante acide libère le gaz CO 2 en donnant naissance aux concrétions calcaires, haut : stalactites / bas : stalagmites Exercice 6. 1) CaC 2(s) + 2 H 2 O (l) C 2 H 2(g) + Ca(OH) 2(s) C 2 H 2(g) + 5/2 O 2(g) 2 CO 2 (g) + H 2 O (l) 2) HC CH 3) 180 g d eau et 112 L C 2 H 2 Fin. Intrus : G. Charpak, Yves Chauvin : hydrolyse, vive, régale, osmose calcite, biosphère, estran, saumure, effervescence, oxonium, isotonique. Qui suisje? la chimie. 8