Épreuve de CHIMIE Examen 1, Décembre 2014 Classe : 1SA 1SB Durée : 100 min

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1 Nom : N o : Épreuve de CHIMIE Examen 1, Décembre 2014 Classe : 1SA 1SB Durée : 100 min L usage d une calculatrice programmable est interdit Ce sujet comporte 6 pages numérotées de 1/6 à 6/6 Premier exercice (8 points) Titrage d une solution de lentilles de contact Données: M(H) = 1,0 g.mol -1 ; M(O) = 16 g.mol -1. Le système AOSEPT est une solution désinfectante pour les lentilles de contact. Il est formé d une solution à 3% de peroxyde d hydrogène H 2 O 2. Au cours d une séance de travaux pratiques, on souhaite vérifier le pourcentage de peroxyde d hydrogène qui figure sur l étiquette d une solution de lentilles de contact AOSEPT (noté «S» dans la suite de l exercice). Données : Le peroxyde d hydrogène se décompose selon l équation (E1): O2 (g) H 2 O 2 (aq) H 2 O (l) + Solution de 3% signifie qu on a 3g de H 2 O 2 dans 100 ml de solution. 1. La décomposition de l eau oxygénée 1.1 Montrer que la décomposition de l eau oxygénée est une réaction d oxydoréduction. 1.2 Identifier les deux couples oxydant / réducteur mis en jeu. 2. Principe du titrage La solution «S» est incolore. Pour déterminer le pourcentage de peroxyde d hydrogène, on décide de réaliser un titrage. On fait réagir le peroxyde d hydrogène contenu dans la solution «S» avec des ions iodure introduits en excès. Il se forme du diiode et de l eau selon l équation de la réaction (E2): H 2 O 2 (aq) + 2I - (aq) + 2H + (aq) 2H 2 O (l) + I 2 (aq) (E2) Le diiode formé est titré à l aide d une solution de thiosulfate de sodium (2Na + (aq) + S 2 O (aq)) de concentration bien déterminée. L équation de la réaction (E3) représentant cette transformation totale s écrit : 2S 2 O (aq) + I 2 (aq) 2I - (aq) + S 4 O (aq) (E3)

2 2.1 Le titrage réalisé est-il un titrage direct ou indirect? Justifier. 2.2 La réaction (3) est totale. Citer deux autres caractéristiques que doit posséder la réaction (3) pour servir de support de titrage. 3. Protocole expérimentale Verser 10,0 ml de la solution (S) dans un bécher. Ajouter à la spatule de l iodure de potassium KI tout en agitant doucement. On admet que l ajout d iodure de potassium se fait sans variation du volume de la solution. La solution brune obtenue, notée S, est prête à être titrée. Réaliser le titrage de la solution (S ) obtenue par une solution de thiosulfate de sodium (2Na + (aq) + S 2 O (aq)). Lorsque la solution (S ) devient jaune pâle, ajouter quelques gouttes d empois d amidon, puis poursuivre le titrage goutte à goutte jusqu'à disparition complète de la coloration bleue. 3.1 Nommer l espèce présente dans le bécher, responsable de la coloration brune de la solution. 3.2 Indiquer le rôle de l empois d amidon. 3.3 Annoter le schéma ci-dessous du dispositif utilisé pour le dosage. 4. Exploitation des résultats du dosage 4.1 Etablir la relation entre n(i 2 ) présente dans la solution S, la concentration en ion thiosulfate de la solution titrante [S 2 O ] et le volume versé à l équivalence V E. 4.2 Exprimer la concentration en peroxyde d hydrogène en fonction de la concentration en ion thiosulfate de la solution titrante [S 2 O ] et le volume versé à l équivalence V E. 4.3 Sachant que la concentration molaire en ion thiosulfate de la solution titrante est : [S 2 O ] = 0,75 mol.l-1 et que le volume versé à l équivalence est V E = 23 ml, calculer la concentration de la solution en peroxyde d hydrogène. 4.4 Déduire le pourcentage de peroxyde d hydrogène dans cette solution.

3 Deuxième exercice (6 points) Autour d une transformation dans le domaine de l oxydoréduction Données : Charge d une mole d électrons : 1F = 9,65 x 10 4 C.mol A.h = 3,6 x 10 3 C M(Cu) = 63,5 g.mol -1 La capacité, noté, d'une pile est la quantité maximale d'électricité qu'elle peut fournir avant d'être usée. A partir de ces deux couples oxydant / réducteur Cu 2+ (aq)/cu (s) et Ag + (aq)/ag (s), on peut envisager deux transformations dont les réactions peuvent être modélisées par les équations suivantes : (E1) Cu (s) + 2Ag + (aq) 2Ag (s) + Cu 2+ (aq) (E2) 2Ag (s) + Cu 2+ (aq) Cu (s) + 2Ag + (aq) 1. Transformation chimique spontanée par transfert direct d électrons. Un élève réalise une expérience dont le protocole est donné ci-dessous : Verser dans un bécher un volume V 1 = 50 ml d une solution de nitrate de cuivre (II) (Cu 2+ (aq) + 2NO (aq)) de concentration molaire en soluté apporté C 1 = 1,0 mol.l -1 et un volume V 2 = 50 ml d une solution de nitrate d agent (Ag + (aq) + NO (aq)) de concentration molaire en soluté apporté C 2 = 1,0 mol.l -1. La solution de nitrate de cuivre (II) est bleue et celle du nitrate d argent est incolore. Plonger un fil d argent et ajouter environ une spatule de poudre de cuivre de couleur rouge. Attendre quelques minutes et observer. L élève note dans son compte rendu de TP les observations suivantes: «on observe un léger dépôt gris et la couleur bleue de la solution devient plus foncée.» 1.1 Choisir l équation de la réaction associée à la transformation chimique du système. 1.2 Calculer les quantités de matière initiales des ions cuivre II et argent introduits en solution. 1.3 Cette transformation chimique est totale. Déterminer la concentration finale des ions cuivre II en solution, sachant que les métaux ont été introduits en excès. 2. Constitution et fonctionnement de la pile cuivre argent en circuit fermé. Dans un petit bécher contenant un volume V 1 = 20 ml de solution de nitrate d'argent de concentration C 1 = 1, mol.l -1, on introduit un fil d argent bien décapé. Dans un petit bécher contenant un volume V 2 = 20 ml de solution de nitrate de cuivre de concentration C 2 = 5, mol.l -1, on introduit un fil de cuivre bien décapé et de masse m = 1,0 g. On relie les deux béchers par un pont salin contenant une solution ionique saturée de nitrate de potassium. Un ampèremètre en série avec un conducteur ohmique de résistance R = 100 est placé entre les bornes de la pile.

4 Le conducteur ohmique est parcouru par un courant de très faible intensité allant du fil d'argent vers le fil de cuivre. 2.1 Les ions K + (aq) du pont salin migrent vers le compartiment cathodique. Justifier. 2.2 On laisse fonctionner le système pendant une durée suffisamment longue pour que la pile ne débite plus. a) Identifier le réactif limitant. b) Déterminer la quantité d'électricité qui a traversé la résistance depuis l'instant où la pile a commencé à débiter jusqu'à l'instant où la pile devient usée. c) En déduire la valeur de la capacité de cette pile exprimée en A.h. Troisième exercice (6 points) Pourquoi cuisiner dans des casseroles en cuivre? Les casseroles en cuivre semblent un luxe. En sont-elles vraiment? La chose n est pas certaine, car le cuivre conduit très bien la chaleur : tout excès de chaleur, en un point de la casserole, est rapidement dissipé parce que la chaleur se propage rapidement vers le reste de l ustensile Pour éviter le contact toxique du vert de gris, on doit toutefois recouvrir les ustensiles en cuivre d étain pur, aujourd hui par électrolyse. D après Hervé This, les secrets de la casserole C est par oxydation que le cuivre se recouvre de «vert de gris». La couche obtenue donne un aspect particulier aux statues, mais elle est constituée d un sel soluble qui est toxique. L électrolyse du cuivre consiste dans ce cas à déposer une fine couche d étain sur toute la surface du récipient. Ce procédé est appelé étamage. L électrolyte est constitué d une solution de sulfate d étain, Sn 2+ (aq) + SO 4 2 (aq). Le récipient à étamer constitue une électrode, l autre électrode étant de l étain Sn (s) pur. Données : Masse molaire de l étain : M(Sn) = 119 g.mol -1 Constante de Faraday : F = 9, C.mol -1 L étain appartient au couple : Sn 2+ (aq)/sn (s) 1. Étamage d une casserole On considère le schéma du montage ci-dessous :

5 Choisir la bonne réponse : 1.1 a) Le courant électrique circule de l électrode A vers l électrode B b) Le courant électrique circule de l électrode B vers l électrode A Épreuve de CHIMIE 1.2 a) Les porteurs de charges dans les conducteurs métalliques circulent de A vers B b) Les porteurs de charges dans les conducteurs métalliques circulent de B vers A 1.3 a) L électrolyse est une transformation spontanée. b) L électrolyse est une transformation forcée. 2. Réactions aux électrodes On étudie les réactions aux électrodes en considérant que les molécules du n interviennent pas. solvant Choisir la bonne réponse : 2.1 a) La réaction se produisant à l électrode A est une oxydation b) La réaction se produisant à l électrode A est une réduction 2.2 a) L électrode A est la cathode b) L électrode B est l anode 2.3 La réaction ayant lieu à l électrode A est : a) Sn (s) Sn 2+ (aq) + 2e - b) Sn 2+ (aq) + 2e - Sn (s) c) 2H 2 O (l) + 2e - H 2(g) + 2OH - (aq) 2.4 Le récipient à recouvrir est placé à : a) L électrode A b) L électrode B 2.5 La concentration en ion étain Sn 2+ (aq) dans la solution : a) Reste contante b) Augmente c) Diminue 3. L intensité du courant électrique est maintenue constante pendant toute la durée t de l électrolyse et vaut I = 0,250 A. Montrer que la durée de l électrolyse peut être exprimée, en fonction de la masse m Sn déposée, par la relation t = 4. On veut étamer une casserole cylindrique, de diamètre D = 15 cm, de hauteur H = 7,0 cm, et d épaisseur négligeable. Le dépôt d étain doit être réalisé sur les faces interne et externe et sur une épaisseur e = 20 µm.

6 Le volume d étain nécessaire pour le dépôt est donné par la relation V = S x e avec S =. 4.1 Calculer la valeur de V en cm La masse volumique de l étain est = 7,30 g.cm -3. Calculer la masse d étain nécessaire. 4.3 À l aide de l expression donnée dans la question 3, calculer la durée minimale de l électrolyse pour réaliser ce dépôt. 5. Pourquoi ne pas utiliser un autre métal? Le cuivre est cher et l électrolyse est un procédé coûteux. Le fer, par exemple, est beaucoup moins onéreux mais il rouille. La rouille apparaissant sur le fer est le résultat d une réaction d oxydoréduction. Les couples oxydant-réducteur en présence sont (Fe 2 O 3,H 2 O) (s) / Fe (s) et O 2(g) /H 2 O (l). On donne la demi-équation électronique associée au premier couple : 2Fe (s) + 4H 2 O (l) (Fe 2 O 3,H 2 O) (s) + 6H + (aq) + 6e 5.1 Donner la demi-équation électronique associée au second couple (O 2(g) /H 2 O (l) ). 5.2 En déduire l équation de la réaction globale de la formation de la rouille. 5.3 Pour éviter la formation de rouille, on peut utiliser des alliages particuliers dits inoxydables, comme l acier inox. On peut aussi protéger le fer par des vernis, des peintures ou des traitements de surface. Mais le procédé le plus répandu est l étamage de l acier. On obtient ainsi du fer blanc utilisé pour les boîtes de conserves et les canettes de boisson par exemple. Par analogie avec l étamage du cuivre, proposer un schéma d électrolyse d une boîte de conserve, en disposant les électrodes de façon à ce que le dépôt d étain se fasse de façon uniforme sur la face interne de la boîte.

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