CHIMIE. DATE: 11 juin 2010

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1 BACCALAURÉAT EUROPÉEN 2010 CHIMIE DATE: 11 juin 2010 DURÉE DE L'EXAMEN : 3 heures (180 minutes) MATÉRIEL AUTORISÉ : Calculatrice non graphique et non programmable. REMARQUES : Choisir deux questions A et deux questions B. Indiquer les questions choisies en marquant d une croix les cases appropriées sur le formulaire fourni. Utiliser des feuilles d examen différentes pour chaque question. Page 1/16 FR

2 Question A1 Page 1/2 a) Certaines fleurs, comme celles des hortensias, possèdent des couleurs variées dues à des pigments naturels. Les couleurs rouge, mauve, violette et bleue viennent de la présence d'anthocyanines dans les pétales. La couleur violette est due à la molécule suivante que l'on notera HA dans la suite de l'exercice. HA peut appartenir à deux couples acide-base H 2 A + (aq) / HA(aq) de pk a1 = 4,3 et HA(aq) / A (aq) de pk a2 = 7,0. H 2 A + (aq) est rouge, HA(aq) est violet et A (aq) est bleu. On rappelle que pk e = 14,0. i. Donner la définition d'un acide selon Brønsted. En utilisant les formules simplifiées notées ci-dessus, préciser dans chacun des 2 couples la forme acide et la forme basique. i Écrire l'équation de la réaction de HA(aq) en tant qu'acide avec l'eau. iv. Exprimer la constante d'acidité K a2 de HA(aq). v. Déterminer la valeur de K a2. b) Le ph d'une solution contenant HA(aq) vaut 10,0. i. À partir de l'expression de K a2, calculer le rapport [A - (aq)] éq [HA(aq)] éq En déduire l'espèce chimique prédominante et prévoir la couleur de la solution. Page 2/16

3 Question A1 Page 2/2 c) A - (aq) et HA(aq) peuvent réagir en tant que base de Brønsted. i. Écrire l'équation de la réaction de HA(aq) en tant que base avec l'eau. Donner l'expression de la constante d'équilibre K b1 de cette réaction. i Démontrer la relation K a1 x K b1 = K w iv. Reproduire le diagramme ci-dessous. pk a1 pk a2 4,3 7,0 ph Ajouter sur ce diagramme les domaines de prédominance des espèces H 2 A + (aq), HA(aq) et A (aq), ainsi que la couleur des fleurs en fonction des valeurs du ph. v. Expliquer pourquoi les fleurs d'hortensias pourraient changer de couleur selon la nature du sol. d) Le phosphate mixte d ammonium et de magnésium est un sel peu soluble qui peut se former dans l urine et qui est aussi appelé «pierre de l acide urique». La formation de ce sel peut être représentée par l équation simplifiée suivante : Mg 2+ (aq) + NH + 4 (aq) + HPO 2-4 (aq) + H 2 O(l) MgNH 4 PO 4 (s) + H 3 O + (aq) i. Décrire l influence d une modification du ph sur la formation de ce sel. i En utilisant les valeurs de K a et de K b, écrire l équation de la réaction qui domine lorsque HPO 4 2- (aq) se trouve en solution aqueuse. En se référant uniquement à la réaction envisagée en d), calculer le ph d une solution d ions hydrogénophosphate, HPO 4 2- (aq), de concentration initiale c(hpo 4 2- ) = 1, mol dm -3 (mol L -1 ). On donne : K a (HPO 4 2- ): 4, K b (HPO 4 2- ): 1, Page 3/16

4 Question A2 Page 1/2 a) Les deux demi-piles mettant en jeu les couples Fe 3+ (aq)/fe(s) et Fe 2+ (aq)/fe(s) sont réunies pour construire une pile électrochimique. NB : les données utiles se trouvent à la fin de la question c) i. Écrire les demi-équations des réactions qui se produisent aux électrodes. Écrire l équation-bilan de la réaction qui actionne la pile. i iv. Calculer la force électromotrice (f.e.m.) de cette pile dans les conditions standard. Représenter un schéma clairement annoté de cette pile et préciser le sens de déplacement des électrons dans le circuit extérieur. b) Le permanganate de potassium, KMnO 4 (aq), est un puissant agent oxydant. Expliquer pourquoi il n est pas utilisé pour la détermination quantitative des ions fer (II) dans une solution de chlorure de fer (II). c) Des volumes identiques de solutions équimolaires de permanganate de potassium, KMnO 4 (aq), de sulfate de manganèse (II), MnSO 4 (aq), de dichromate de potassium, K 2 Cr 2 O 7 (aq), et de sulfate de chrome (III), Cr 2 (SO 4 ) 3 (aq), sont mélangés. On aboutit à un état d équilibre. i. Quel ion est oxydé et quel ion est réduit? Utiliser les demi-équations pour écrire l équation équilibrée de la réaction qui se produit. On donne : Les potentiels standard redox : Couples E / V MnO - 4 (aq), H + (aq) / Mn 2+ (aq) +1,51 Cl 2 (g) / Cl - (aq) +1,36 Cr 2 O 2-7 (aq), H + (aq) / Cr 3+ (aq) +1,33 Fe 3+ (aq) / Fe 2+ (aq) +0,78 Fe 3+ (aq) / Fe(s) -0,04 Fe 2+ (aq) / Fe(s) -0,44 Page 4/16

5 Question A2 Page 2/2 d) Les plus importants minerais d aluminium et de fer sont composés respectivement de Al 2 O 3 et de Fe 2 O 3. L aluminium est obtenu par électrolyse, à partir de son minerai. Le fer est obtenu à partir de son minerai par réaction à chaud avec le monoxyde de carbone, CO(g). Durant cette opération le monoxyde de carbone se transforme en dioxyde de carbone CO 2 (g). i. Écrire l équation de la réduction des ions aluminium au cours de l électrolyse de l oxyde d aluminium (III). L équation (non pondérée) ci-dessous représente la réaction entre l oxyde de fer (III) et le monoxyde de carbone : Fe 2 O 3 (s) + CO(g) Fe(s) + CO 2 (g) Déterminer les nombres d oxydation du fer et du carbone figurant dans l équation ci-dessus. i Écrire l équation pondérée de la réaction. iv. Calculer la masse de fer qui pourrait être obtenue à partir de 4,50 kg d un minerai de fer renfermant 80,0 % en masse de Fe 2 O 3. Les 20,0 % restants de ce minerai ne contiennent pas de fer. v. Calculer la charge, en coulomb (C), qui serait nécessaire durant l électrolyse pour produire 2,00 kg d aluminium à partir de son oxyde. vi. Si l on utilise un courant de 2, A pour effectuer l électrolyse de Al 2 O 3, calculer la durée d électrolyse nécessaire pour obtenir 2,00 kg d aluminium. On donne : Les masses molaires atomiques (en g mol -1 ) : O : 16,0 Al : 27,0 Fe : 56,0 1 Faraday (F) = 9, C mol -1. Page 5/16

6 Question A3 Page 1/3 a) Un brevet a été déposé à l office des brevets européen en 1992 pour un accumulateur rechargeable au bromure de zinc. L expérience suivante décrit la recharge de l accumulateur : on réalise l électrolyse d une solution de bromure de zinc en utilisant des électrodes en graphite. i. Représenter le schéma légendé de l accumulateur pendant la phase de recharge. Écrire les demi-équations des réactions qui se produisent à chaque électrode pendant la recharge, en précisant leur polarité. i Écrire l équation-bilan de la réaction qui a lieu lors de la recharge de l accumulateur. iv. Calculer la force électromotrice (f.e.m.) de l accumulateur lors de sa décharge dans les conditions standard. v. Dans le schéma figurant dans le brevet, l enveloppe de l accumulateur est en poly(éthène) et les électrodes sont en graphite. Expliquer le choix de ces deux matériaux sur la base de leurs propriétés chimiques. On donne : les potentiels standard redox suivants : Couples E / V Zn 2+ (aq) / Zn(s) -0,76 Br 2 (l) / Br - (aq) +1,07 Cl 2 (g) / Cl - (aq) +1,36 b) On désinfecte les piscines à l aide d un produit appelé brome sticks (barres de brome). Le composant actif de ce produit a comme formule C 5 H 6 BrClN 2 O 2. i. Calculer le pourcentage massique en brome du composant actif. Un des produits issu de la désinfection de la piscine est l ion bromure. Sur la base des potentiels standard redox, expliquer ce qui pourrait se produire si l on ajoutait aussi du chlore, Cl 2 (g), dans cette piscine. Écrire une équation appropriée. On donne : les masses molaires atomiques (en g mol -1 ) : H : 1,01 C : 12,0 N : 14,0 O : 16,0 Cl : 35,5 Br : 79,9 Page 6/16

7 Question A3 Page 2/3 c) Le ph idéal pour l eau des piscines doit être situé entre 7,2 et 7,6. À cette fin, on ajoute des substances chimiques qui contiennent des ions hydrogénocarbonate, HCO 3 - (aq). i. Écrire les équations des réactions qui montrent comment les ions hydrogénocarbonate peuvent maintenir le ph de l eau dans l intervalle de ph optimal. Une acidité excessive peut être neutralisée en faisant circuler l eau sur du marbre, c est-à-dire sur du carbonate de calcium, CaCO 3 (s). i Écrire une équation qui illustre l action neutralisante du marbre vis-à-vis d un acide. Calculer la masse de carbonate de calcium nécessaire pour faire passer le ph de 2,00 x 10 3 m 3 d eau de 6,5 à 7,2. On donne : les masses molaires atomiques (en g mol -1 ) : C : 12,0 O : 16,0 Ca : 40,1 d) Les eaux douces naturelles de bonne qualité contiennent de faibles quantités d ions ammonium, NH 4 + (aq). Cependant, les ions ammonium réagissent avec l eau pour former de l ammoniac, une substance toxique pour la faune aquatique. i. Écrire l équation de cette réaction et donner l expression de la constante d acidité K a des ions ammonium. Le graphe ci-dessous traduit l évolution du rapport des concentrations [NH 4 + (aq)] / [NH 3 (aq)] en fonction de la température, θ (en C), et du ph. 4 points Page 7/16

8 Question A3 Page 3/3 i Pour un ph compris entre 8,00 et 11,0, utiliser le graphique pour expliquer la modification de la qualité de l eau lorsque la température θ augmente. À l aide du graphique, calculer la valeur de la constante d acidité K a de l ion ammonium à la température θ = 0 C. Page 8/16

9 Question B1 Page 1/2 a) Beaucoup d aldéhydes possèdent une odeur forte et caractéristique. Tel est le cas du cinnamaldéhyde, le composant majeur de l essence de cannelle, ou encore de la vanilline, responsable de l odeur typique des gousses de vanille. La molécule de cinnamaldéhyde contient un noyau benzénique et possède également une double liaison entre deux atomes de carbone. i. Les pourcentages massiques d un échantillon de cinnamaldéhyde sont les suivants: 81,8% de carbone, 6,10% d hydrogène et 12,1% d oxygène. Déterminer la formule empirique (brute) du cinnamaldéhyde. La masse molaire moléculaire du cinnamaldéhyde est de 132 g mol -1. Déterminer la formule moléculaire du cinnamaldéhyde. i Écrire une formule développée possible du cinnamaldéhyde. On donne : les masses molaires atomiques (en g mol -1 ) : H : 1,01 C : 12,0 O : 16,0 b) La vanilline répond à la formule suivante : i. La molécule de vanilline contient un groupement fonctionnel aldéhyde et deux autres groupements fonctionnels. Nommer ces deux groupements. i iv. La vanilline peut réagir avec l éthanol, en présence d acide sulfurique concentré. Écrire l équation de cette réaction en utilisant des formules de structure. La vanilline peut aussi réagir avec l acide éthanoïque. Écrire l équation de cette réaction en utilisant des formules de structure. Lorsque la vanilline réagit avec la liqueur de Fehling, il se forme un anion carboxylate. Décrire ce que l on observe lors de cette expérience et écrire l équation de la réaction. v. La vanilline peut réagir avec une solution acidifiée de cyanure d hydrogène, HCN(aq). Donner le mécanisme de cette réaction. 4 points Page 9/16

10 Question B1 Page 2/2 c) La vanilline réagit avec une solution de nitrate d argent en milieu basique. L équation simplifiée de cette réaction est la suivante: C 6 H 3 OHOCH 3 CHO(aq) + 2Ag + (aq) + 3OH - (aq) C 6 H 3 OHOCH 3 COO - (aq) + 2Ag(s) + 2H 2 O(l) Un échantillon d additif alimentaire contenant de la vanilline a une masse de 2,40 x 10-3 g. La réaction produit 2,55 x 10-3 g d argent. i. Calculer le pourcentage massique de vanilline présente dans l échantillon. Formuler l hypothèse sur laquelle se fonde le calcul. On donne : la masse molaire atomique (en g mol -1 ) de Ag: 108 la masse molaire moléculaire (en g mol -1 ) de la vanilline : 152 Page 10/16

11 Question B2 Page 1/3 a) Le schéma ci-dessous montre la synthèse d un composé coloré, B, à partir de l acide 4-aminobenzènesulfonique, H 2 N C 6 H 4 SO 3 H. i. Nommer la famille chimique du composé A, en rapport avec la fonction encadrée. Donner le nom de la réaction de synthèse du composé B et la famille chimique à laquelle appartient ce composé coloré. i Expliquer, à partir de sa structure moléculaire, pourquoi le composé B est coloré. Page 11/16

12 Question B2 Page 2/3 b) On considère les composés azotés suivants : A. (CH 3 ) 3 N B. C 6 H 5 NH 2 C. CH 3 (CH 2 ) 2 NH 2 D. CH 3 CH 2 NHCH 3 E. NH 3 i. Pour chacune des amines, préciser s il s agit d une amine primaire, d une amine secondaire ou d une amine tertiaire. Nommer les composés B et C. i Parmi les cinq composés proposés, le composé B, C 6 H 5 NH 2, est la base la plus faible. Justifier cette propriété. c) Le Captopril est un médicament utilisé pour lutter contre l hypertension artérielle. Sa molécule possède un groupement amide et peut être synthétisée à partir des molécules A et B suivantes: i. Nommer la fonction oxygénée présente dans la molécule A. i La molécule A présente-t-elle une isomérie optique? Si c est le cas, représenter la molécule, repérer le carbone chiral en le marquant d un astérisque (*) et justifier le choix. En utilisant les formules de structure, écrire l'équation-bilan de la réaction entre A et B pour former le Captopril, sachant qu elle s accompagne de la formation de chlorure d hydrogène, HCl(g). Page 12/16

13 Question B2 Page 3/3 d) Le nom systématique (UICPA) de l acide aminé leucine est acide 2-amino-4- méthylpentanoïque. i. Écrire la formule semi-développée d une molécule de leucine. Expliquer la notion de «point isoélectrique» d un acide aminé. i Le point isoélectrique de la leucine vaut 6,0. Donner les formules semi-développées des espèces majoritaires dans des solutions aqueuses de leucine dont les ph sont : 1 ) ph = 6,0 2 ) ph = 1,0 3 ) ph =13,0 iv. En référence à sa structure moléculaire, expliquer pourquoi la leucine est solide à la température du laboratoire (25 C). Page 13/16

14 Question B3 Page 1/3 a) Les formules suivantes représentent deux molécules de lipides, X et Y. L un de ces composés est une graisse (un solide), l autre est une huile (liquide). X Y i. Nommer le groupement fonctionnel commun aux deux composés X et Y. Nommer les deux réactifs qui permettent d obtenir le composé X. i iv. Indiquer lequel des deux composés, X ou Y, est une huile. Expliquer pourquoi cette espèce chimique est liquide à température ambiante. Les huiles, comme les huiles végétales, peuvent être modifiées par transformation chimique pour devenir des margarines, c est à dire des graisses (des solides). Nommer le réactif nécessaire pour effectuer cette transformation. b) Le composé Y peut réagir avec le diiode, I 2 (aq). Au cours de cette réaction, la coloration brune de la solution de diiode disparaît. i. Expliquer comment le composé Y réagit avec le diiode. Calculer la masse de composé Y qui réagit complètement avec 100 g de diiode. On donne : la masse molaire atomique (en g mol -1 ) de I : 127 la masse molaire moléculaire (en g mol -1 ) du composé Y: 878 Page 14/16

15 Question B3 Page 2/3 c) Le composé X peut réagir avec l hydroxyde de potassium, KOH(aq), pour former un savon. i. Écrire l équation de cette réaction à l aide de formules semi-développées et identifier le type de réaction qui se produit. À l aide d un schéma, expliquer les propriétés détersives d un savon. i Expliquer la raison de la perte d efficacité du savon obtenu en c) i. lorsqu il est utilisé en présence d une eau dure, c est-à-dire une eau qui présente une concentration relativement élevée en ions calcium, Ca 2+ (aq). d) Au bout d un certain temps, les graisses et les huiles peuvent devenir rances. En général, l oxydation des acides gras est responsable de ces odeurs indésirables. L ajout de molécules appelées antioxydants permet d éviter le rancissement. Les formules de structure ci-dessous, représentent les molécules de deux antioxydants : BHT THBQ i. Nommer un groupe fonctionnel commun à ces deux composés. i Ces deux antioxydants sont solubles dans les graisses et dans les huiles. Sur la base de leur structure moléculaire, justifier cette propriété. Un seul de ces deux composés est aussi légèrement soluble dans l eau. Préciser de quel composé il s agit et expliquer les raisons de cette différence de solubilité. Page 15/16

16 Question B3 Page 3/3 e) L acide ascorbique ou vitamine C est un autre exemple de substance antioxydante. Sa structure est la suivante : Lorsqu elle fonctionne comme agent antioxydant, la molécule d acide ascorbique perd deux ions hydrogène, H + (aq), au niveau des deux groupements hydroxyles, OH, présents sur le cycle. En utilisant des formules de structure, écrire la demi-équation d oxydation correspondante. Page 16/16