Concours National Commun - Filière MP - Session Autour de l eau

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1 Concours National Commun - Filière MP - Session 014 Autour de l eau 1- De la molécule d eau au solvant Élément xygène ydrogène Configuration 1s s p 4 1s 1 Nombre d électrons de valence 6 1 Représentation de Lewis Molécule Lewis Géométrie de base Géométrie réelle (VSEPR) Tétraedrique Codée ou en V type : AX E 1-. La géométrie de base de la molécule d eau est tétraédrique : α = 109 o 8 La répulsion entre doublets non liants (qui occupent plus d espace que les doublets liants) est plus importante qu entre les doublets non liants, ce qui entraîne la déformation de la molécule sous forme codée (Cf. 1-. ). soit : 109 o 8 > α = 104,5 o. α 1-4. L atome d oxygène est plus électronégatif que l atome d hydrogène. Les électrons de la liaison tendent à se rapprocher de l atome d oxygène selon la représentation ci- contre (apparition de pôle (+) et de pôle () : la liaison est polarisée. Cetteséparationdeschargescréeundipôleélectrique[ +δe, δe ] qui engendre un moment dipolaire µ colinéaire à la liaison, oriente du pôle () vers le pôle (+) et de norme µ = δed. La molécule d eau est, donc, polaire. pôle négatif δe δ : caractère ionique e : charge élémentaire +δe pôles positifs +δe Corrigé de Chimie 1 / 8 M.Afekir(cpgeafek@yahoo.fr)

2 1-5. Concours National Commun - Filière MP - Session 014 Polaire : Voir question Grandeur physique associée : moment dipolaire. J espère que, dans cette question, on voulait demander de définir le mot polarisant plutôt que le mot polaire!!!. Si c était le cas, le mot polarisant veut dire action de polariser Dissociant : Rupture de la liaison avec séparation de paire d ions tout en diminuant l attraction élastostatique entre anions et cations. Grandeur physique associée : permittivité électrique. Ionisant : Création de charges tout en polarisant les liaison intramoléculaires. Grandeur physique associée : moment dipolaire ère étape : dissociation NaCl ( δ+ Na δ Cl) Les molécules d eau polaires, exercent sur les ions Na + et Cl du cristal de chlorure de sodiumdesforcesélectriquesquidétruisentlecristalionique.lesionsna + etcl sedétachent du cristal. ème étape : solvatation ( δ+ Na δ Cl) (Na, Cl ) aq }{{} paires d ions solvatés Chaque ion set entouré de molécules d eau; les molécules d eau polaires s orientent sous l action de forces électriques. Leur pôle négatif (atome ) est attiré par un ion Na +, leur pôle positif est attiré par un ion Cl. ème étape : dispersion (Na, Cl ) aq Na aq, Cl aq la dispersion des ions solvatés dans tout le volume occupé par le liquide se fait plus rapidement par agitation thermique du mélange µ Na + Les dipoles sont orientés vers les champs forts Cl - Étude cristallographique de l eau solide -1. Paramètres : a = b c Angles : α = β = 90 o et γ = 10 o ou γ = 60 o Corrigé de Chimie / 8 M.Afekir(cpgeafek@yahoo.fr)

3 Concours National Commun - Filière MP - Session a xygène occupant les position par translation de 8 c a xygène occupant la structure C 8 c c 8 c -. 8 c c 8 c 8 c Le centre du tétraèdre correspond est occupé par un atome -translateil s agit,donc, d un site tétraedrique c Chaque site tétra (qui au nombre de 1/maille) se trouve entre deux plans successive sur deux (alternance occupation-non occupation). L empilement de la structure C étant de type ABAB... La proportion d occupation est, donc, de 50%. -4. Multiplicité n = }{{} Sommets Soit : 8 liaisons hydrogènes par maille. -5. Types d interactions : + 1 }{{} sites tétra + }{{} = 4 /maille 4 centre }{{} arrêtes Liaisonshydrogène ( +δe ////// δe ) de types électrostatiques( interaction d association): c est l interaction entre un atome d hydrogène engagé dans une molécule d eau et un atome d oxygène (très électronégatif) lui aussi engagé dans une autre molécule d eau. Corrigé de Chimie / 8 M.Afekir(cpgeafek@yahoo.fr)

4 Concours National Commun - Filière MP - Session E liaison hydrogène 48,8 = 4,9kJ.mol 1 << E liaison covalente = 46kJ.mol 1-7. ρ Ih = n M N a V = n M N a a c = 9, 10 1 g.cm = 9,kg.m La glace est moins dense que l eau liquide. -8. D après la question précédente (-7. ) la densité de la glace est inférieure à celle de l eau liquide, ce qui explique qu un glaçon flotte à la surface d eau et cela est dû à la présence de liaisons hydrogène. Comme la molécule d eau peut développer 4 liaisons hydrogène, elle se retrouve au centre d un tétraèdre dont les sommets sont occupés par quatre autres molécules d eau ( Cf. -. ). Dans la phase liquide, cette structure est instable du fait de l agitation thermique des molécules. Des liaisons hydrogène se cassent donc en permanence (tandis que d autres s établissent au même moment), permettant aux molécules d eau de se rapprocher les unes des autres. Mais lorsqu on abaisse la température de l eau en deçà de la température de solidification, l agitation des molécules diminue et les liaisons hydrogène deviennent beaucoup plus stables. Chaque molécule d eau dans la glace est donc réellement impliquée dans un tétraèdre stable avec ses voisines. Les liaisons hydrogènes existant entre elles les empêchent de se rapprocher plus les unes des autres, créant ainsi des espaces vides. C est ce qui explique la faible densité de la glace. - Stabilité thermodynamique de l eau -1. AB (g) A (g) +B (g) }{{} radicaux : liaison o AB -. v = }{{} Nombre de constituants 1 }{{} Nombre de réactions + }{{} TetP }{{} 1 =. Nombre de phases Le Système est trivariant : n peut fixer au choix (les paramètres) : T, P et P. -. r o (98) = 4E E E = = 478kJ.mol 1 Commentaires : r S o (98) = S o +S o S o = 88,8J.K 1.mol 1 r o (98) > 0 : La réaction est endothermique. r S o (98) > 0 : Augmentation du désordre ou augmentation du nombre de moles gazeux ( le nombre de moles gazeux de la réaction r ν g = 1 > 0). Loi de Van t hoff : Une augmentation de température, à pression constante, entraîne le déplacement de l équilibre dans le sens où la réaction est endothermique (sens de décomposition de l eau vapeur). -4. r G o (98) = r o (98)T r S o (98) = 451,5kJ.mol 1 À p = 1bar, r G o (98) est trèspositive! : la réaction est, donc, impossible thermodynamiquement!! Corrigé de Chimie 4 / 8 M.Afekir(cpgeafek@yahoo.fr)

5 Concours National Commun - Filière MP - Session T = 1500K Sensd évolution r G o (1500) = 8,0kJ.mol 1 et Q r = n n n P P o = r G(1500) = r G o (1500) +RT lnq r = 0,1kJ.mol 1 > 0 = évolution dans le sens de formation de l eau vapeur. Composition du système - Constante d équilibre : K décomposition de l eau = exp( rg o (1500) ) = 1, K formation de l eau = 5, RT La réaction est quantitative (dans le sens de formation de l eau) : les réactifs limitant ( et dans ce cas) vont disparaître du milieu réactionnel (reste sous forme de traces!) - Tableau d avancement : - Composition : (g) (g) (g) 1 à t = 0 0,9 0 0 à t 0 ξ 1 ξ 0,9+ξ 0 9 à t eq trace trace 0 n = 0,97mol, n = 14, mol et n = 7, mol 4- Étude cinétique de la décomposition de l eau vapeur 4-1. Soit v la vitesse de la réaction, de constante de vitesse k : v = k[ (g) ] = 1 d[ (g) ] dt = [ (g) ] = [ (g) ] o exp(kt) (g) G.P P (g) = n (g) RT = P V (g) = P o exp(kt) t en s P (g) en bar 0,00 18,76 17,61 14,55 10,58 7,70 ( ) P (g) ln 0-0,06-0,1-0, -0,6-0,95 P o [ 1 ( )] t ln P (g) P o moyenne n nξ 0 ξ + 0 ξ 0,0155 s 1 = k, n tot = n+ξ PV = n tot RT = (n+ξ)rt ; P o V = nrt et P (g) V = n (g) RT = (nξ)rt P (g) = P o P Corrigé de Chimie 5 / 8 M.Afekir(cpgeafek@yahoo.fr)

6 4-4. k = Aexp E a RT }{{} Arrhenius Concours National Commun - Filière MP - Session 014 et t 1/ = ln k t 1/ (T 1 ) = ln A exp E a RT 1 t 1/ (T ) = ln A exp E a RT A = t 1/ (T) = ln A exp E a RT E a = T 1T T T 1 Rln t 1/(T 1 ) t 1/ (T ) = 1,5kJ.mol1 ln t 1/ (T 1 ) exp E a RT 1 = ,s k(t) = Aexp E a RT T = Rln E a ( A k ) = 1198K 4-6. À température ambiante T a = 98K, la constante de vitesse de la réaction de décomposition del eau k a = 1, s 1 :valeurtrèsfaible,donc,lavitesseestfaible.parconséquent,laréaction est faiblement avancée!! 5- Alcalimétrie d une eau / C C / C p 0 6,4 10, À p = 8,0, C prédomine (Cf ) : c est l espèce que l on désire analyser. 5-. Burette Cl C Cl = 0 10 mol.l 1 V Cl 8,0 p-mètre Électrode de verre Agitateur magnétique C C V = 50mL Bêcher Barreau aimanté Support 5-4. n utilise une pipette jaugée de 50mL ou une fiole jaugée Au début du dosage, l indicateur est de couleur bleu car à p = 8,0, il se trouve sous sa forme basique qui est de couleur bleu. Corrigé de Chimie 6 / 8 M.Afekir(cpgeafek@yahoo.fr)

7 5-6. p dans la zone de virage de l indicateur coloré!! 5-7. Réaction du dosage Concours National Commun - Filière MP - Session C + C K eq = >> 10 = réaction quantitative Au point d équivalence : C Cl V Cl = C C V C C = 7 10 mol.l 1 et T.A.C = C C 100 0,00 = L eau analysée à un T.A.C = 5 < 50 : elle est, donc, potable À l anode : En milieu acide e ou e À la cathode : En milieu basique +e Réaction de précipitation de carbonate de calcium : C +Ca+ + CaC +, K CaC = K a K s K e = 10 11,7 Réaction de formation de l acide carbonique : C + + C }{{} +, K C = 1 = 10 6,4 K a1 C, Les deux réactions sont quantitatives, mais la première est prépondérante. 6- Élimination du manganèse dans l eau naturelle 6-1. Cette question fait appel à des données qui suivent!! Pour répondre à la question telle et là où elle posée, on peut utiliser le raisonnement suivant : Supposons le cas contraire, on aura : E Mn 4 /Mn < E Mn /Mn + 1,68+ 0,06 log( [Mn4 ][+ ] 4) < 1,5+ 0,06 ( [ + ] 4 ) log [Mn + ] Donc,àp = 7, etpour [Mn + ] =, mol.l 1 : [Mn4 ] 6, mol.l 1 ;Absurde!!! }{{} valeur très très faible! L ion manganèse est, donc, oxydable par l ion permanganate. Corrigé de Chimie 7 / 8 M.Afekir(cpgeafek@yahoo.fr)

8 Concours National Commun - Filière MP - Session Couple Mn 4 /Mn Couple Mn /Mn + L équation bilan : Mn e Mn + Mn e Mn + + Mn 4 +Mn+ + 5Mn K eq = 100,06 = = Réaction quantitative 6-. Couple Mn 4 /Mn 0,06 E Mn 4 /Mn = 1,68+ log( [Mn4 ][+ ] 4) = 0,98V Couple Mn /Mn + ( 0,06 [ + E Mn /Mn+ = 1,5+ log ] 4 ) [Mn + ] = 0,55V 6-4. La réaction étant quantitative : le réactif limitant (dans notre cas ce sont les ions permanganates de quantité de matière initiale 10 6 mol) disparaît du milieu réactionnel. La quantité de matière résiduelle des ions manganèse (de quantité de matière initiale n o = 10 6 mol) est, donc : n Mn + = n o 106 = mol [Mn + ] résiduelle = mol.l [Mn + ] résiduelle = mol.l 1 < c n = mol.l 1 n pourra considérer que les normes sont conformes! Corrigé de Chimie 8 / 8 M.Afekir(cpgeafek@yahoo.fr)