Partiel 2 - Chimie générale (2h00)

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1 Partiel 2 - Chimie générale (2h00) Documents non autorisés - Calculatrice autorisée - Justifier les calculs Séparer calcul littéral et numérique Synthèse du dichlore au laboratoire (sujet 2006) Le permanganate de potassium : L un des composés du manganèse le plus utilisé au laboratoire pour ses propriétés oxydantes est le permanganate de potassium KMnO 4. Ce corps se présente sous la forme de cristaux violets très solubles dans l eau. On rappelle que le potassium est un élément faisant partie de la famille des métaux alcalins. 1) Si on admet une description ionique des liaisons, quel ion du manganèse (Z = 25) se trouve dans KMnO 4? Existe-t-il des ions courants du manganèse ayant une charge positive plus élevée? En réalité, la liaison est bien de nature ionique entre les ions potassium K + et les ions permanganate MnO 4 -. Par contre, la liaison est plutôt de nature covalente entre l oxygène et le manganèse dans l ion permanganate. 2) Écrire les formes mésomères de l ion permanganate MnO 4 - selon la méthode de Lewis. 3) Déterminer la géométrie de cet ion selon la méthode VSEPR. Production de dichlore au laboratoire : Pour produire le dichlore au laboratoire, on construit le montage suivant : ETSL, 95 rue du Dessous des Berges, PARIS 1/6

2 Le dichlore est un gaz verdâtre très dense, qui emplit le ballon. On le récupère en dirigeant l orifice de sortie dans un flacon de récupération, où il s accumulera en chassant l air. L expérience doit impérativement être menée sous une hotte ventilée. 4) Le chlore fait partie de la famille des halogènes. Quel est le numéro de colonne de cette famille dans la classification périodique? Quel est le premier élément de cette colonne? Combien ces éléments ont-ils d électrons de valence? 5) Dans l ordre croissant des numéros atomiques, le chlore est le deuxième halogène. Écrire la configuration électronique du chlore et donner son numéro atomique. 6) Donner la définition de l affinité électronique d un élément. Comparer l affinité électronique du chlore avec celle de l argon, qui est l élément situé juste à sa droite dans la classification. Interpréter. 7) Écrire la formule de Lewis de la molécule de dichlore. Dans les fiches de sécurité, le dichlore se voit attribuer les pictogrammes suivants (cadres rouges) : 8) Donner la signification sommaire de ces pictogrammes. Pourquoi la réaction doit-elle être impérativement réalisée sous la hotte? On rappelle que l acide chlorhydrique peut être considéré comme une solution aqueuse d ions H + (aq) et Cl - (aq). De plus, après la réaction, la solution contient du chlorure de manganèse Mn 2+ (aq), 2Cl - (aq). Les couples rédox à considérer sont Cl 2 (g)/cl - (aq) et MnO 4 - (aq)/mn 2+ (aq). 9) Écrire l équation chimique rendant compte de la synthèse du dichlore dans cette expérience. Combustion de l aluminium dans le dichlore : Un morceau de papier d aluminium est chauffé dans la flamme d un bec bunsen, puis introduit dans le flacon contenant le dichlore préalablement synthétisé. On observe une très vive réaction avec libération de fumées blanches. Cette réaction produit du chlorure d aluminium de formule AlCl x (composé ayant un caractère ionique). 10) Sachant que le numéro atomique de l aluminium est Z = 13, déterminer la valeur de x. Écrire l équation chimique de la réaction de combustion de l aluminium dans le dichlore. ETSL, 95 rue du Dessous des Berges, PARIS 2/6

3 11) Donner la structure de Lewis d une molécule de formule AlCl x. 12) Donner la géométrie de cette molécule en utilisant la méthode VSEPR. Les métaux et le corps humain (sujet 2004) En biologie, les métaux réprésentent un paradoxe : ils sont à la fois essentiels et toxiques. Certains métaux sont vitaux pour la cellule parce qu'ils participent directement aux processus biologiques. À l'inverse, la toxicité naturelle des métaux fait que ceux qui s'accumulent dans l'environnement peuvent devenir hautement dangereux. Partie 1 : Certains métaux sont essentiels De très nombreux métaux sont réellement vitaux pour l homme. On peut citer le potassium (Z = 19), le calcium (Z = 20), le fer (Z = 26) ou le zinc (Z = 30), ces deux derniers étant classés comme oligo-éléments. 1) Montrer que les quatre métaux cités ci-dessus sont dans la même période. Laquelle? 2) Dans le corps humain, ces métaux se trouvent sous forme ionique. Déterminer l ion du zinc présent dans l organisme. Justifier à l aide de la configuration électronique. 3) Rappeler la définition de l énergie de deuxième ionisation et indiquer lequel de ces métaux a sans doute l énergie de deuxième ionisation la plus élevée. Justifier. Partie 2 : Le plomb est toxique Inversement, certains métaux comme le plomb, le mercure ou le cadmium sont réputés très toxiques. L intoxication au plomb est une maladie grave appelée saturnisme. Même si les seuils de toxicité du plomb sont sujets à discussion, le plomb est donc considéré comme un des polluants les plus dangereux. Sa présence dans l atmosphère est principalement due aux véhicules à moteur qui ont utilisé ou utilisent encore de l essence avec plomb. Le plomb ajouté à l essence se trouve sous forme de plomb tétraéthyle Pb(CH 2 CH 3 ) 4 dont les propriétés anti-détonantes permettent d améliorer le rendement du moteur. ETSL, 95 rue du Dessous des Berges, PARIS 3/6

4 Afin de doser le plomb contenu dans une essence, on suit le protocole expérimental décrit cidessous : On prélève 50,0 ml de l'essence à analyser qu'on introduit dans un ballon surmonté d'un réfrigérant. On ajoute 50 ml d'acide chlorhydrique concentré et on chauffe à reflux pendant 30 minutes. Cette opération permet de détruire le plomb tétraéthyle ; il se forme des complexes de plomb (II) qui passent en solution aqueuse. On sépare les deux phases. La phase aqueuse, après traitement par l'acide nitrique pour éliminer les résidus organiques, est évaporée à sec. On "recueille" le solide blanc ainsi obtenu en l'entraînant par des petites quantités d'eau dans une fiole jaugée de 100 ml, et on ajuste au trait de jauge avec de l'eau distillée. Ceci constitue la solution S. Résultat : grâce aux opérations précédentes, le plomb initialement présent dans les 50,0 ml d essence prélevés se trouve intégralement sous forme de cations Pb 2+ dans la solution S de volume 100,0 ml. Étalonnage de la solution d'edta et dosage du plomb dans l'essence : On souhaite titrer les ions Pb 2+ dans la solution S par l EDTA, ou ion éthylène diaminetétracétate est noté Y 4-. L EDTA est un ligand qui forme avec les ions Pb 2+ un complexe de formule PbY 2-, par une réaction que l on peut considérer comme totale. Pour des raisons pratiques, la solution titrante d EDTA utilisée n est pas une solution d ions Y 4- mais une solution de H 2 Y 2-. Malheureusement elle n est pas stable : il faut donc l étalonner juste avant le dosage. Pour l étalonnage, on verse dans un bécher 25,0 ml d une solution étalon de nitrate de plomb (II) Pb(NO 3 ) 2 à 1, mol.l -1. On ajoute 5,0 ml de tampon éthanoïque (ph = 4,9) et quelques gouttes d orangé de xylénol (indicateur coloré de fin de réaction). La solution est violette. Après addition de 27,8 ml de la solution d EDTA, la solution vire au jaune. 4) Quelles espèces contient le tampon éthanoïque? En quelles proportions? 5) Quelle est la forme majoritaire de l EDTA à ph = 4,9? 6) Écrire l équation de la réaction de titrage de l'edta. Cette équation doit faire intervenir les espèces du tampon éthanoïque. On ne tient pas compte de l'indicateur de fin de réaction. 7) Calculer la concentration molaire de la solution d'edta. On prélève à présent 25,00 ml de la solution S. On ajoute 5 ml de tampon éthanoïque et quelques gouttes d'orangé de xylénol. On titre ce mélange par la solution d'edta étalonnée. Le volume versé à l'équivalence est égal à V E = 8,05 ml. 8) En déduire la concentration molaire en ions Pb 2+ de la solution S. 9) En déduire la teneur en plomb de l'essence analysée, exprimée en mg de plomb par litre d'essence. ETSL, 95 rue du Dessous des Berges, PARIS 4/6

5 Un autre étalonnage de la solution d EDTA? La solution titrante d'edta utilisée est une solution de H 2 Y 2-. On pourrait envisager un étalonnage avec une réaction acido-basique comme support pour déterminer sa concentration. On titre 20,0 ml de la solution de H 2 Y 2- par une solution de soude de concentration 1, mol.l -1. On obtient la courbe expérimentale ci-dessous : 10) La valeur initiale du ph dans le bécher était-elle prévisible? En faire le calcul. 11) Analyser en détails la courbe obtenue : indiquer les 2 réactions qui ont lieu, calculer leur constante, et déterminer la concentration de la solution de H 2 Y ) Commenter la pertinence de cette méthode pour un étalonnage. Synthèse d'un autre anti-détonant : (FACULTATIF) Un autre additif anti-détonant est largement utilisé aujourd'hui en remplacement du plomb tétraéthyle, le MTBE (méthyltertiobutyléther) dont la structure est précisée ci-dessous : Plusieurs synthèses du MTBE peuvent être proposées. ETSL, 95 rue du Dessous des Berges, PARIS 5/6

6 Au laboratoire, la synthèse peut se faire à partir de 2-méthylpropan-2-ol, d'iodométhane et de sodium métallique. Dans l'industrie, la synthèse est effectuée à partie de 2-méthylpropène en présence d'acide sulfurique. 13) Donner les équations des différentes réactions de la synthèse en laboratoire. Comment se nomme une telle synthèse? 14) Proposer un mécanisme pour la réaction industrielle. Justifier les éventuelles sélectivités. FIN DE L'ÉPREUVE ETSL, 95 rue du Dessous des Berges, PARIS 6/6

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