OLYMPIADES NATIONALES DE LA CHIMIE ECRIT CORRIGE - BAREME
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- Josselin Bonin
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1 NOTE :.../ OLYMPIADES NATIONALES DE LA CHIMIE EPREUVES REGIONALES 205 ACADEMIE RESTE DU MONDE ECRIT CORRIGE - BAREME
2 Au sujet des piles ) Qui est l inventeur de la pile? Décrire brièvement sa pile. Quelle est l origine du mot «pile»? Alessandro Volta est l inventeur de la pile. Ses premiers systèmes étaient constitués d'un «empilement» de disques de deux métaux différents séparés par des disques de feutre, imbibés d'acide, d'où le nom de l'invention. 2) Qu est-ce qu une pile alcaline? On appelle pile alcaline un type de pile électrique dont l'électrolyte est alcalin 3) Quelle est la particularité étonnante de la pile de Becquerel? Pile à deux liquides séparés en enfermant la plaque de zinc en solution acide dans un gros intestin de bœuf 4) En quoi sont les électrodes d une pile Daniell? En cuivre et en zinc 5) Etude d une pile Cuivre - Aluminium On réalise une pile composée de deux demi-piles reliées par un pont salin (papier filtre imbibé d une solution de chlorure de potassium). La première demi-pile est constituée d une lame d aluminium qui plonge dans une solution de sulfate d aluminium (2Al 3 (aq) 3SO 4 2- (aq)). La seconde est constituée d une lame de cuivre qui plonge dans une solution de sulfate de cuivre (Cu 2 (aq) SO 4 2- (aq)). On associe à cette pile un ampèremètre et une résistance en série. Avec les branchements réalisés on mesure I = - ma Compléter le schéma ci-dessous en ajoutant : - la circulation des porteurs de charges et du courant - la polarité et le nom de chaque électrode. - les réactions et leurs noms aux électrodes. - la transformation globale qui se produit dans la pile. - La représentation formelle de la pile Pôles Noms élec Courant Elec. Ions ½ réactions Noms réac. Globale Rep. Form. 2 Total page 2
3 6) Définir la f.e.m. d une pile C'est la tension aux bornes de la pile lorsqu'elle ne débite pas (I = 0 A). 7) On donne ci-dessous la caractéristique tension intensité de pile cuivre aluminium précédente. Déterminer les valeurs de sa résistance interne et de sa f.e.m. B Equation de la caractéristique : U PN = E r I f.e.m. : E = 9 V Résistance interne : -r = -(U B U A) / (I B I A) = -(5-9)/(-0) = 4 Ω Equ. fem Valeur unité 8) Rappeler la formule faisant le lien entre la quantité d électricité Q, débitée par une pile, et l intensité I du courant correspondante. Préciser les unités. 9) Rappeler la formule faisant le lien entre la quantité d électricité Q, débitée par une pile, la quantité de matière d électrons échangés n(e - ) et la charge élémentaire e. Préciser les unités. Formule unités Formule unités 0) Une autre formule possible est : Q = n(e - ).F. Que représente F (donner son nom, sa signification et son unité)? C est le Faraday, valeur absolue de la charge d une mole d électrons, en C.mol - 3* ) Pour la pile cuivre aluminium précédente, on considère que les électrodes métalliques ne disparaissent pas complétement lorsqu on la laisse débiter du courant dans la résistance. Mais alors, à quel moment pourra-t-on considérer que la pile est usée? Donner une explication sans calculs. La pile sera usée lorsque tout le Cu 2 sera consommé par la réaction (voir schéma de la pile) 2) La pile précédente est constituée avec 00 ml de solution de sulfate d aluminium de concentration en ion aluminium [Al 3 (aq)] =,0.0 - mol.l - et 00 ml de solution de sulfate de cuivre de concentration [Cu 2 (aq)] =,0.0 - mol.l - et des électrodes de 2,7 g pour Al et 6,35 g pour Cu. Déterminer les quantités de matière initiales des réactifs. En déduire le réactif limitant. On donne : M(Al) = 27,0 g.mol ; M(Cu) = 63,5 g.mol n(al) = m/m = 2,7 / 27 = 0, mol n(cu 2 ) = C*V = 0,*0, = 0,0 mol Le réactif limitant est l ion cuivre Cu 2 Pour chaque réactif : formule calcul juste pour la conclusion 2* 3 Total page 3
4 3) Compléter, ci-dessous, le tableau descriptif de l évolution du système. On rappelle les couples mis en jeu dans cette réaction : Cu 2 (aq) / Cu (s) et Al 3 (aq) / Al (s) De même que précédemment, on calcule : n(cu) = m/m = 6,35 / 63,5 = 0, mol n(al 3 ) = C*V = 0,*0, = 0,0 mol Equat. Cu et Al 3 4* Chaque case dernière ligne 4) Calculer la quantité maximale d électricité que peut débiter cette pile si x max = 0,0 mol. F = USI USI Q = n(e - ).F avec n(e - ) : nombre de moles d électrons échangés. Or à chaque réaction il y a 6 électrons échangés, donc n(e - ) = 6 * x max. Q 6 * 0,0 * C pour n(e - ) juste avec 6 électrons échangés pour le calcul juste 5) En déduire sa durée de fonctionnement si elle débite 00 ma dans la résistance. Q = I. t t = Q / I = 6000 / 0, = s = (pour info, un peu plus de 6 h mais calcul non exigé) Au sujet du recyclage du cuivre 6) Donner deux constituants des minerais de cuivre. Sulfures, oxydes, carbonates, silicates et sulfates de cuivre 7) Le cuivre peut être un catalyseur. Qu est-ce qu un catalyseur? Substance qui augmente la vitesse d'une réaction chimique sans paraître participer à cette réaction. 8) Le cuivre possède des propriétés de malléabilité, ductilité et est un fongicide. Expliquer ces trois termes. Malléabilité : propriété d un métal que l on peut façonner et réduire facilement en feuilles Ductilité : propriété d un métal que l on peut étirer sans le rompre Fongicide : qui détruit les champignons pathogènes 3* 9) L ion cuivre II peut former des complexes avec l eau. Qu est-ce qu un complexe? En chimie, un complexe est un édifice polyatomique constitué par l'association de deux ou plusieurs entités chimiques indépendantes, ions ou molécules. Il s'agit souvent d'un cation métallique entouré de plusieurs ligands. 4 Total page,5
5 On donne, ci-dessous, le spectre d absorption d une solution contenant un complexe du cuivre. 20) Déduire du spectre la couleur de la solution en justifiant la réponse. La solution n absorbe quasiment pas les bleus (~ 500 nm) et les rouges (> 700 nm) mais absorbe beaucoup au niveau du vert jaune orange. Sa couleur sera donc un mélange de bleu et de rouge, soit le violet. 2) On souhaite réaliser une étude spectrophotométrique de la solution. A quelle longueur d onde faudra-t-il régler le spectrophotomètre? A 650 nm : longueur d onde du max d absorption 22) Rappeler en quelques mots ou avec un schéma le principe de fonctionnement du spectrophotomètre. Enlever pour chaque élément manquant,5 23) Rappeler la loi de Beer-Lambert en précisant la signification de chaque lettre et en donnant les unités correspondantes. formule et ( noms, unités les deux en tout ou rien) 24) Pour effectuer un dosage spectrophotométrique par étalonnage d une solution dont les concentrations sont exprimées en mol.l -, on réalise le graphe ci-dessous : a) Compléter le schéma en précisant les grandeurs que l on trouve sur chaque axe b) En déduire la concentration d une solution d absorbance 0,2 c) On travaille avec une cuve de cm de large, en déduire la valeur du ε λ Absorbance (sans unité) a) Sur le graphe b) On trouve C =,0 mol.l - c) A = ε λ. l. C donc ε λ = A / (l. C) ε λ = 0,2 / (*,0) = 0,2 L.mol -.cm - Axes Conc. ε λ Concentration (mol.l - ) 5 Total page 8,5
6 25) Qu est-ce qu une électrolyse? Une électrolyse est une réaction d oxydoréduction forcée par un apport d énergie électrique. On réalise une électrolyse avec une électrode de cuivre et un objet métallique qui forme la deuxième électrode. Le cuivre va se décomposer au cours du temps pour donner des ions Cu 2 qui vont ensuite se déposer sur l objet métallique. 26) Ecrire la demi-équation de la réaction qui se déroule à l électrode de cuivre Cu(s) = 2 Cu ( aq ) 2 e 27) L électrolyse fonctionne pendant h à une intensité de I = 200 ma. Déterminer la quantité d électricité Q mise en jeu. I = Q t => Q = I. t soit Q = = 0, C formule,5 résultat unité 28) Quelle relation existe-t-il entre la quantité de cuivre qui a disparu n disp (Cu 2 ) et la quantité de matière n(e ) d électrons qui a circulé? n dép(cu) = 2.n(e- ) 29) Au cours du recyclage du cuivre, on cherche à séparer les ions métalliques d une solution par précipitation, puis on filtre avec le dispositif ci-dessous. Compléter le schéma. 4* 30) Concernant les ions cuivre, on peut exprimer leur concentration molaire ou leur titre massique. Donner la définition du titre massique puis retrouver la relation entre la concentration molaire et le titre massique. t(x) = m(x) / V (t : titre, ou concentration, massique, m masse, V volume) t(x) = m(x) / V mais par définition m(x) = n.m donc t(x) = n.m / V mais aussi par définition X] = n / V donc t(x) = [X].M Au sujet de la valorisation du glycérol 3) Qu est-ce qu un biocarburant? Un biocarburant est un carburant produit à partir de matériaux organiques non fossiles 6 Total page 9,5
7 32) Donner deux exemples de matières premières permettant de fabriquer le biocarburant éthanol? Sucres, amidon, cellulose ou lignine Dans le sujet du TP il est mentionné les espèces méthanol et huile de tournesol pour lesquels on donne les renseignements suivants : Substances chimiques pictogrammes Données Huile de Tournesol C 57H 98O 6 (l) Néant M = 878 g.mol - d = 0,92 (environ) T éb = C Insoluble dans l eau, le méthanol et l éthanol Méthanol 33) Que représentent les pictogrammes de sécurité du méthanol? M = 32 g.mol - d = 0,79 T éb = 65 C Soluble dans l eau Inflammable Produits toxiques Dangereux pour la santé,5 34) Où se situe le méthanol dans un mélange avec l huile de tournesol (justifier)? Qualifier le mélange obtenu. Le mélange est hétérogène car l huile est insoluble dans le méthanol. Le méthanol est en haut car sa densité est inférieure à celle de l huile 35) Donner la formule brute du méthanol, sa représentation topologique et sa représentation de CRAM. Formule brute Représentation topologique Représentation de Cram CH 4O 36) Rappeler la définition de la chiralité. Le méthanol est-il chiral? (justifier) Une molécule est chirale si elle ne peut se superposer à son image dans un miroir Le méthanol n est pas chiral car il est superposable à son image dans un miroir et/ou parce qu il ne possède pas de carbone asymétrique. 37) Définir les termes suivants : énantiomère ; diastéréoisomère Deux molécules images l une de l autre dans un miroir mais non superposables (donc chirales) sont énantiomères Des diastéréoisomères sont des stéréoisomères non énantiomères 38) Pour une expérience on prend 200 ml de méthanol. En déduire la quantité de matière correspondante. Le sujet donne la densité et le volume du méthanol donc utiliser d=ρ/ρ 0 puis ρ = m/v puis n = m/m Attention aux unités! (densité avec puis ρ en g/ml et les volumes en ml pour avoir m en g) Donc ici si d = 0,79 on aura ρ = 0,79 g/ml ou kg/l. Donc n(méthanol) = m/m avec m = ρ.v et ρ = d.ρ eau n(méthanol) = d.ρ eau.v / M = 0,79 x x 200 / 32 5 mol,5 les 3 formules Unités Calcul juste 7 Total page 3,5
8 39) Légender le schéma du montage de synthèse ci-dessous. - Réfrigérant à eau -Ballon -Chauffe ballon -Sortie d eau -Entrée d eau -Mélange réactionnel -Support élévateur 3,5 3,5 (7*) 40) Quel est l avantage d un réfrigérant à boule sur un réfrigérant droit? Augmenter la surface de contact entre le verre froid et les vapeurs chaudes 4) Quelle est l intérêt du chauffage à reflux? Chauffer pour accélérer et ne pas perdre de vapeurs grâce au réfrigérant 42) A la fin de la synthèse, on réalise une extraction par solvant du composé organique obtenu. Avec quel instrument peut-on réaliser cette extraction? Une ampoule à décanter 43) Définir le rendement d une synthèse. 44) Pour identifier les produits obtenus on réalise une CCM dont le chromatogramme est reproduit ci-dessous à l échelle /2. Calculer le rapport frontal du dépôt B. h H h = 3,8 cm sur le sujet donc 7,6 cm en réel H = 5 cm sur le sujet donc 0 cm en réel Rf = h / H = 7,6 / 0 = 0,76 (sans unités) Formule Echelle Calcul sans unité 45) On représente ci-dessous un composé de l huile de tournesol. Entourer le (ou les) groupe(s) caractéristique(s) et nommer la (ou les) fonction(s) correspondante(s). Alcène ou Ester par groupe entouré par fonction nommée Alcène Ester 8 Total page 2
9 46) Faire le schéma légendé d une distillation fractionnée qui permet la purification d un composé organique obtenu par synthèse ou la séparation des constituants d un mélange homogène. Enlever si manque réfrigérant, récipient pour distillat, colonne Vigreux, ballon, chauffe ballon ou support élévateur 2 47) La molécule de glycérol est représentée ci-dessous. Identifier sur la molécule un site donneur et un site accepteur d électrons en justifiant soigneusement votre choix. L atome d oxygène est beaucoup plus électronégatif que les atomes H et C. Donc il attire à lui les doublets des liaisons C O et O H. L oxygène possède donc une charge partielle négative alors que le C et le H possèdent des charges partielles positives. Au niveau microscopique, on a donc : Donc le carbone C et l hydrogène H sont des sites accepteurs d électrons tandis que l atome d oxygène sera un site donneur à la fois parce qu il possède des doublets non liants et Liaison polarisée Chaque site parce qu il a une charge partielle négative. Attention : en toute rigueur, ici le site accepteur est plutôt le C et le donneur le O mais on pourra récompenser un candidat qui ne «voit» que la liaison OH et en fait une bonne étude Parmi les flacons d alcools d un laboratoire de chimie, une étiquette s est effacée. Un chimiste hésite entre trois composés : le méthanol, l éthanol et le glycérol. Pour identifier l alcool, on réalise une spectroscopie RMN et on obtient le spectre ci-dessous. 48) Ecrire les formules semi-développées du méthanol et de l éthanol. Méthanol : CH 3 - OH ; Ethanol : CH 3 - CH 2 - OH 49) A quoi correspondent les pics de chaque signal? Règles dite «des (n)-uplets» : Un proton, ou un groupe de protons équivalents, ayant n protons équivalents voisins (portés par un carbone voisin) donne, par couplage, un signal constitué de (n) pics appelé multiplet. 50) Identifier l alcool en justifiant précisément votre réponse et en se servant de trois critères d analyse des spectres RMN ; - Nombre de groupes = nombres de signaux sur le spectre. Le spectre présente 3 signaux 3 groupes de protons équivalents 2- Intégration = les hauteurs des signaux sont proportionnelles aux nombres de protons équivalents En rapport des hauteurs on a bien /2, /3 ou 2/3 donc présence possible de groupes à 3, 2 et protons 3- Multiplicité = nombre de protons voisins avec la règle des (n)-uplets On a un signal à 4 pics donc un proton ou groupe de protons équivalents possède 3 voisins protons On a un signal à 3 pics donc un proton ou groupe de protons équivalents possède 2 voisins protons On a un signal à pics donc un proton ou groupe de protons équivalents ne possède pas de voisins protons Conclusion : c est l éthanol 3* critères bilan 9 Total page 0
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