CPE Lyon ESA ESA Purpan ESCOM ESEO IGAL ISA ISAB - ISARA-Lyon ISEN Brest ISEN Lille ISEN Toulon ISEP LOUIS DE BROGLIE SELECTION FESIC
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- Yvette Martineau
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1 CPE Lyon ESA ESA Purpan ESCOM ESEO IGAL ISA ISAB - ISARA-Lyon ISEN Brest ISEN Lille ISEN Toulon ISEP LOUIS DE BROGLIE SELECTION FESIC ADMISSION en 1ère ANNEE du 1er CYCLE 2006 EPREUVE DE CHIMIE Samedi 13 mai 2006 de 10h.45 à 12h.15 INSTRUCTIONS AUX CANDIDATS L'usage de la calculatrice est interdit ainsi que tout document ou formulaire. L'épreuve comporte 16 exercices indépendants. Vous ne devez en traiter que 12 maximum. Si vous en traitez davantage, seuls les 12 premiers seront corrigés. Un exercice comporte 4 affirmations repérées par les lettres a, b, c, d. Vous devez indiquer pour chacune d'elles si elle est vraie (V) ou fausse (F). Un exercice est considéré comme traité dès qu'une réponse à une des 4 affirmations est donnée (l'abstention et l'annulation ne sont pas considérées comme réponse). Toute réponse exacte rapporte un point. Toute réponse inexacte entraîne le retrait d'un point. L'annulation d'une réponse ou l'abstention n'est pas prise en compte, c'est-à-dire ne rapporte ni ne retire aucun point. Une bonification d'un point est ajoutée chaque fois qu'un exercice est traité correctement en entier (c'est-à-dire lorsque les réponses aux 4 affirmations sont exactes). L'attention des candidats est attirée sur le fait que, dans le type d'exercices proposés, une lecture attentive des énoncés est absolument nécessaire, le vocabulaire employé et les questions posées étant très précis. INSTRUCTIONS POUR REMPLIR LA FEUILLE DE REPONSES Les épreuves de la Sélection FESIC sont des questionnaires à correction automatisée. Votre feuille sera corrigée automatiquement par une machine à lecture optique. Vous devez suivre scrupuleusement les instructions suivantes : Pour remplir la feuille de réponses, vous devez utiliser un stylo bille ou une pointe feutre de couleur noire ou bleue. Ne jamais raturer, ni gommer, ni utiliser un effaceur. Ne pas plier ou froisser la feuille.
2 1. Collez l étiquette code-barres qui vous sera fournie (le code doit être dans l axe vertical indiqué). Cette étiquette, outre le code-barres, porte vos nom, prénom, numéro de table et matière. Vérifiez bien ces informations. Exemple : 2. Noircissez les cases correspondant à vos réponses : Faire Ne pas faire Pour modifier une réponse, il ne faut ni raturer, ni gommer, ni utiliser un effaceur. Annuler la réponse par un double marquage (cocher F et V) puis reporter la nouvelle réponse éventuelle dans la zone tramée (zone de droite). La réponse figurant dans la zone tramée n'est prise en compte que si la première réponse est annulée. Les réponses possibles sont : V F V F vrai faux abstention abstention vrai faux abstention Attention : vous ne disposez que d'une seule feuille de réponses. En cas d'erreur, vous devez annuler votre réponse comme indiqué ci-dessus. Toutefois, en cas de force majeure, une seconde feuille pourra vous être fournie par le surveillant.
3 Masses atomiques molaires en gmol.. 1 H C O Na Cd Ni ,4 58, Exercice n On mesure l absorbance A d une solution de sulfate de cuivre ( SO 4 ) Cu +. a) L absorbance augmente avec la concentration molaire en soluté apporté de la solution. b) La courbe représentant l évolution de l absorbance A avec la concentration molaire en soluté apporté c de la solution est une droite pour de faibles concentrations. c) L absorbance A ne dépend pas de la longueur d onde de la lumière utilisée. Une solution de concentration molaire en soluté apporté c 1 = 0,100 mol.l 1 a une absorbance A 1 = 0,30 ; une solution de concentration molaire en soluté apporté c 2 = 0,050 mol.l 1 a une absorbance A 2 = 0,15. d) Le mélange à volume égal de ces deux solutions a une absorbance A = 0,45. CPE Lyon ESA ESA Purpan ESCOM ESEO IGAL ISA ISAB ISARA-Lyon ISEN Brest ISEN Lille ISEN Toulon ISEP LOUIS DE BROGLIE page 1
4 Exercice n 2 On réalise l étude cinétique de la transformation des ions peroxodisulfate par les ions iodure. Le mélange réactionnel est réalisé avec un volume V 1 = 25,0 ml de solution de peroxodisulfate de potassium de concentration molaire en soluté apporté C 1 = 5,00 mmol.l -1 et un volume V 2 de solution d iodure de potassium de concentration molaire en soluté apporté C 2 = 0,250 mol.l -1, de sorte que l un des réactifs soit en large excès. L équation bilan de la réaction s écrit : S2O 8 (aq) + 2 I (aq) = 2 SO 4 (aq) + I2(aq) Un graphe indiquant la variation de la concentration molaire en ions peroxodisulfate en fonction du temps a été tracé. ( ) 2- SO 10 mol.l (aq) t (min) a) L ion peroxodisulfate joue le rôle d oxydant au cours de cette transformation. b) L ion iodure est le réactif limitant. c) Le volume V 2 de solution d iodure de potassium utilisé dans cette expérience était égal à 25 ml. d) Le temps de demi-réaction est légèrement inférieur à 20 min. CPE Lyon ESA ESA Purpan ESCOM ESEO IGAL ISA ISAB ISARA-Lyon ISEN Brest ISEN Lille ISEN Toulon ISEP LOUIS DE BROGLIE page 2
5 Exercice n 3 L eau de javel est un désinfectant, elle est fabriquée en solution aqueuse selon la réaction quasi-totale : Cl 2(g) + 2 HO - (aq) = ClO - (aq) + Cl - (aq) + H 2 O (l) (réaction n 1) Le degré chlorométrique ( Chl) est le volume (exprimé en L) de dichlore gazeux qui a été utilisé pour préparer un volume de 1,00 L d eau de javel. Dans les conditions opératoires, le volume molaire gazeux est V m = 22,4 L.mol -1. On considère de l eau de javel à 48,0 Chl. a) Dans ces conditions, 60 L de dichlore gazeux sont nécessaires pour préparer 500 ml d eau de javel. b) La concentration molaire en ions hypochlorite ClO - (aq) est environ égale à 2,1 mol.l -1. La teneur en ions hypochlorite ClO - diminue au cours du temps car les ions se transforment lentement en ions chlorure avec dégagement de dioxygène selon l équation bilan : ClO - (aq) = Cl - (aq) + ½ O 2(g) (réaction n 2). Cette réaction montre que le degré chlorométrique d une eau de javel est susceptible de varier au cours du temps. On étudie la cinétique de la réaction de décomposition. Deux séries d expériences ont permis de tracer les courbes suivantes : c) La température et l absence de lumière sont des facteurs cinétiques faisant évoluer le système dans le même sens. Lors de sa fabrication, un berlingot d eau de javel contient 0,50 mol d ions ClO -. Lors de son utilisation, six mois plus tard, il n en contient plus que 0,48 mol. Le volume d un berlingot est 250 ml. d) La vitesse volumique moyenne de la réaction n 2 est égale à 3 mol.l -1.mois -1. CPE Lyon ESA ESA Purpan ESCOM ESEO IGAL ISA ISAB ISARA-Lyon ISEN Brest ISEN Lille ISEN Toulon ISEP LOUIS DE BROGLIE page 3
6 Exercice n 4 On réalise le mélange de V 1 = 20,0 ml de permanganate de potassium acidifié de concentration molaire en soluté apporté C 1 = 2, mol.l -1 et V 2 = 20,0 ml d acide oxalique HOOC-COOH (solution incolore) de concentration molaire en soluté apporté C 2 = 5, mol.l -1. La réaction mise en jeu est lente et considérée comme totale, son équation est : MnO 4(aq) + 5 H2C2O 4(aq) + 6 H (aq) = 2 Mn (aq) + 8 H2 O (l) + 10 CO 2(aq) On suit son évolution par spectrophotométrie. On mesure l absorbance A du mélange réactionnel placé dans la cuve du spectrophotomètre. Dans ces conditions, la concentration molaire en ions permanganate est proportionnelle à la valeur de l absorbance A mesurée. L absorbance A(t) et l avancement de la réaction x(t) sont reliés par la relation : x(t) = ( A(t) ) mol. Par un logiciel approprié, on obtient la courbe suivante : Absorbance en fonction du temps : A = f(t) a) L un des couples d oxydoréduction mis en jeu dans la réaction chimique est CO 2(aq) / H 2 C 2 O 4(aq). b) Le temps de demi-réaction est égal à environ 650 s. On recommence l expérience précédente en prenant le même volume V 2 d une nouvelle solution d acide ' oxalique de concentration molaire apportée = 2, mol.l -1. c) La solution finale n est plus incolore. d) L absorbance finale vaut 1. C 2 CPE Lyon ESA ESA Purpan ESCOM ESEO IGAL ISA ISAB ISARA-Lyon ISEN Brest ISEN Lille ISEN Toulon ISEP LOUIS DE BROGLIE page 4
7 Exercice n 5 On prépare une solution aqueuse à mol.l -1 d acide méthanoïque. La conductivité de la solution, mesurée à 25 C a pour valeur σ = 3, S.m -1. Données : 4,05 8,1 33 ion Conductivité molaire ionique (S.m 2.mol -1 ) à 25 C H 3 O HCOO - (aq) 5, a) L ancien nom de l acide méthanoïque est acide acétique. b) Les ions méthanoate et les ions oxonium sont quasiment en même quantité dans la solution. c) La concentration molaire en ions oxonium est égale à 0,81 mmol.l -1. d) Le taux d avancement de la réaction est égal à 16 %. CPE Lyon ESA ESA Purpan ESCOM ESEO IGAL ISA ISAB ISARA-Lyon ISEN Brest ISEN Lille ISEN Toulon ISEP LOUIS DE BROGLIE page 5
8 Exercice n 6 L acide borique H 3 BO 3 est utilisé comme antiseptique en solution aqueuse, par exemple dans les collyres. On considèrera ici qu il s agit d un monoacide. On souhaite réaliser un dosage ph-métrique de 20 ml d une solution de cet acide par une solution d hydroxyde de sodium. La solution titrante a une concentration de 1, mol.l -1. On obtient les courbes suivantes donnant respectivement ph = f(v) et dph ph = = g(v) qui font apparaître que le dosage ne peut pas être effectué avec une très grande dv précision : ph (cm -3 ) a) La base conjuguée de l acide borique est l ion BO 2 -. b) On peut également détecter l équivalence avec la phénolphtaléïne dont la zone de virage se situe entre ph = 8,2 et ph =10. c) D après le graphe, la valeur du pka de l acide borique est comprise entre 8 et 10. d) La concentration molaire de la solution en acide borique a une valeur proche de mol.l -1. CPE Lyon ESA ESA Purpan ESCOM ESEO IGAL ISA ISAB ISARA-Lyon ISEN Brest ISEN Lille ISEN Toulon ISEP LOUIS DE BROGLIE page 6
9 Exercice n 7 Une espèce chimique A réagit sur une espèce chimique B. L équation de réaction est modélisée par : a A + b B = c C + d D Le diagramme d évolution théorique des quantités de matière des réactifs est représenté ci-dessous : n (mol) n(a) n(b) x (mol) a a) Les nombres stœchiométriques a et b sont dans le rapport 2 b =. b) L espèce B est le réactif limitant. c) L avancement maximal est égal à 4 mol. d) Le taux d avancement final est voisin de 0,8. Exercice n 8 On considère la réaction d autoprotolyse de l eau d équation : 2 H 2 O (l) = H 3 O + + HO - (aq) Sa constante d équilibre est Ke(25) = 1, à 25 C et Ke(60) = 1, à 60 C. Données : N A = 6, mol -1 ; μ eau = 1,0 g.cm -3 à 25 C. a) L eau est un ampholyte. b) Il y a plus de molécules d eau dissociées en ions à 60 C qu à 25 C. c) Dans 1 litre d eau à 25 C, il y a 6, molécules d eau qui sont dissociées en ions. d) A 60 C, une solution de ph = 7 est acide. CPE Lyon ESA ESA Purpan ESCOM ESEO IGAL ISA ISAB ISARA-Lyon ISEN Brest ISEN Lille ISEN Toulon ISEP LOUIS DE BROGLIE page 7
10 Exercice n 9 L éthanamine (ou éthylamine), de formule chimique C 2 H 5 NH 2 est une base de Brönsted. L acide conjugué est l ion éthylammonium (C 2 H 5 NH 3 + ). On prépare une solution aqueuse d éthanamine à 2, mol.l -1. Le ph de cette solution est mesuré à 11,9. + Données : pka(c 2 H 5 N H /C 2 H 5 NH 2 ) = 10,7 ; pke = 14 ; log 5, = -3,3 ; log 5, = -12,3. 3 a) L éthanamine possède un isomère. b) L éthanamine est complètement dissociée dans l eau. c) La constante de réaction de l éthanamine avec l eau est K = 5, On dose 20 ml de la solution d éthanamine préparée par une solution d acide chlorhydrique à 0,025 mol.l -1. d) Le volume à l équivalence est V E = 16 ml. Exercice n 10 Dans les grottes, les concrétions (stalactites et stalagmites), constituées de calcaire CaCO 3, peuvent se dissoudre en présence du dioxyde de carbone CO 2 dégagé par la respiration des visiteurs. L équation de la réaction qui se produit est : - 2+ CaCO 3(s) + CO 2(aq) + H2O = 2 HCO 3(aq) + Ca (aq) La constante d équilibre de cette réaction a pour valeur K = 3, ( ) ( aq) HCO aq eq Ca a) L expression de la constante est : K = CO 2( aq) eq eq. L eau qui ruisselle sur les stalactites contient des ions calcium Ca 2+, des ions hydrogénocarbonate HCO 3 et du dioxyde de carbone aqueux. Les concentrations molaires initiales sont : [ HCO ] 0 = 8, mol.l 1 2+, [ Ca ] 0 = 3, mol.l 1 et [CO 2(aq) ] 0 = 1, mol.l 1. 3(aq) (aq) b) Le quotient initial de réaction est Q r,i = 3, c) Dans ces conditions, c est la réaction de dissolution du carbonate de calcium qui se produit. d) Le ph de la solution initiale est égal à 7,5. Données : [ base] [acide] p H = pka + log ; 8,0 3,8 = 30 ; 8,0² 3,8 = 240 ; 1 log = 1,1 ; log 8, = 1,1. 2 8,0.10 Couple : CO 2(aq),H 2 O/ HCO ; pka (CO2(aq),H 2 O / ) = 6,4. 3(aq) HCO 3(aq) CPE Lyon ESA ESA Purpan ESCOM ESEO IGAL ISA ISAB ISARA-Lyon ISEN Brest ISEN Lille ISEN Toulon ISEP LOUIS DE BROGLIE page 8
11 Exercice n 11 Un dentiste pose une couronne en or à côté d une couronne en acier (alliage fer-carbone contenant une grande proportion de fer). Il se forme alors une pile schématisée de la façon suivante : Fe (s) / Fe 2+ (aq) // H + (aq) / H 2(g) L électrode constituée par la couronne en or reste inaltérée et le couple en jeu à cette électrode est le couple H + (aq) / H 2(g). De nombreuses boissons jouent le rôle de solutions électrolytiques. a) La couronne d acier va être rapidement fragilisée par la réaction d oxydation du fer, la manipulation du dentiste n est donc pas judicieuse. b) La couronne d or constitue le pôle positif de cette pile. On considère maintenant une pile classique formée d une électrode inattaquable plongeant dans 100 ml d une solution acide de concentration molaire en soluté apporté C = 0,100 mol.l -1 et d une électrode de fer en très large excès, plongeant dans 100 ml d une solution de nitrate de fer de concentration molaire en soluté apporté C. On considère la réaction : Fe (s) + 2H + (aq) = H 2(g) + Fe 2+ (aq) dont la constante d équilibre a pour valeur K = à 25 C. Après calcul, le quotient de réaction dans l état initial s écrit : Q r, i = 1 C. c) Le système évolue dans le sens inverse de la réaction considérée. d) La charge transférée au cours de l évolution du système a pour valeur 965 C. Donnée : 1 F = C.mol -1. Exercice n 12 Le nickel métallurgique obtenu à partir du minerai contient des impuretés. On le purifie par électrolyse. L électrolyte utilisé est une solution de sulfate de nickel. Une des électrodes (A) est la plaque de nickel à purifier. L autre électrode (B) est une plaque de nickel pur. Pendant l électrolyse, le nickel contenu dans (A) s oxyde et disperse ses impuretés dans la solution électrolytique. La réaction qui a lieu dans l électrolyseur est : Ni (s) + Ni 2+ (aq) = Ni 2+ (aq) + Ni (s) Le générateur débite un courant d intensité I supposée constante, de valeur 2,0 A, sous une tension U de 4,0 V pendant 5,0 h. a) Le nickel impur constitue l anode. b) Les cations se déplacent vers la cathode. c) L avancement de la réaction au bout de 5,0 h est de 0,050 mol. d) L expérience permet de déposer une masse de nickel pur supérieure à 8,0 g. Données : 965 / ; 1 F = C.mol -1 CPE Lyon ESA ESA Purpan ESCOM ESEO IGAL ISA ISAB ISARA-Lyon ISEN Brest ISEN Lille ISEN Toulon ISEP LOUIS DE BROGLIE page 9
12 Exercice n 13 Le cadmium métallique est produit industriellement par électrolyse d une solution acidifiée de sulfate de cadmium II. Cette électrolyse est réalisée sous une tension de 3,1 V. On considère un électrolyseur qui produit une tonne de cadmium par 24 heures. Données : Couples redox pouvant intervenir dans l électrolyse : Cd 2+ (aq)/cd (s) ; H + (aq)/h 2(g) ; O 2(g) /H 2 O (l) 1 F = 96, C.mol -1 ; 96,5 1, , a) L électrode où se forme le cadmium est reliée à la borne négative du générateur. b) Il se forme du dihydrogène à l anode. c) Il se forme du dioxygène à l anode. d) L intensité du courant a une valeur d environ A. 3 Exercice n 14 Une huile alimentaire est constituée d un triglycéride appelé oléine dont la formule semi-développée est donnée ci-dessous : M (oléine) = 884 g.mol -1 On chauffe à reflux, un mélange constitué de : 88,4 g d oléine, 100 ml d éthanol, une solution d hydroxyde de sodium en excès. Après 25 minutes, on laisse refroidir le contenu du ballon, puis on verse celui-ci dans 250 ml d une solution saturée de chlorure de sodium. On filtre sur büchner et on rince le savon obtenu à l eau froide. On prépare une solution d eau savonneuse en dissolvant des copeaux de savon dans un peu d eau. a) L un des produits de la réaction est le glycérol. b) La solution saturée de chlorure de sodium permet d éliminer l excès de soude. c) La réaction produit 91,2 g de savon. d) Un papier ph trempé dans l eau savonneuse révèle un ph basique. CPE Lyon ESA ESA Purpan ESCOM ESEO IGAL ISA ISAB ISARA-Lyon ISEN Brest ISEN Lille ISEN Toulon ISEP LOUIS DE BROGLIE page 10
13 Exercice n 15 L eugénol, extrait de l huile essentielle des clous de girofle ou des feuilles de giroflier, est utilisé dans certains produits des domaines médical et dentaire en raison de ses propriétés antalgiques et antiseptiques. On peut également l utiliser pour réaliser l hémisynthèse de la vanilline, molécule aromatique présente dans la vanille. Données : Formules topologiques : HO O OH O Eugénol O Vanilline a) La vanilline est un ester de l eugénol. b) La vanilline possède une fonction aldéhyde. c) La molécule ci-dessous est l acétate d eugényle. O O O On réalise l estérification par l acide acétique d une mole d eugénol et, après extraction, on récupère 103 g d acétate d eugényle. d) Le rendement de la réaction est égal à 50%. CPE Lyon ESA ESA Purpan ESCOM ESEO IGAL ISA ISAB ISARA-Lyon ISEN Brest ISEN Lille ISEN Toulon ISEP LOUIS DE BROGLIE page 11
14 Exercice n 16 A 25 C, on étudie par conductimétrie la cinétique de l hydrolyse basique d un ester RCOOR. La quantité de soude introduite est 10 mmol. L ester est en excès. En fin de réaction, la conductance G f de la solution est de 9,1 ms. Le mélange réactionnel est très dilué. Données : ion Conductivité molaire ionique (S.m 2.mol -1 ) à 25 C H 3 O + 3, HO - (aq) 2, Na + (aq) 5, RCOO - (aq) 4, a) Il s agit d une réaction totale. b) La conductivité du mélange réactionnel augmente au cours du temps. c) L avancement final de la réaction est x f = 10 mmol. d) La conductance initiale de la solution est G 0 = 25 ms. CPE Lyon ESA ESA Purpan ESCOM ESEO IGAL ISA ISAB ISARA-Lyon ISEN Brest ISEN Lille ISEN Toulon ISEP LOUIS DE BROGLIE page 12
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