Thème : Chimie et habitat

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1 ACADEMIE DE PITIERS XXIIEMES LYMPIADES REGINALES DE LA CHIMIE Épreuve écrite du concours régional du 11 Janvier 2006 Durée 2h Thème : Chimie et habitat AVERTISSEMENT : le sujet comporte 5 parties complètement indépendantes en lien avec les travaux pratiques que vous avez réalisés durant la préparation. Dans chaque partie, les questions sont presque toutes indépendantes ; on peut y répondre dans n importe quel ordre. Toutes les réponses doivent être reportées sur les feuilles-réponse jointes. Partie I Le Polyéthylènetéréphtalate ou PET (données en page 2) L un des polymères les plus importants du point de vue industriel est le polyéthylènetéréphtalate noté PET. I.1 Citer deux applications du PET. Sa synthèse s effectue à partir de 15 g de diméthyltéréphtalate (noté DMTP) et 250 ml d éthylèneglycol ou éthanediol (noté ED) ; la première étape est la suivante (réaction (1)) : H 3 C CH H H H H + 2 CH 3 H DMTP ED bis (2-hydroxyéthyl)téréphtalate I.2 Donner pour chaque réactif : - sa formule brute, - la (les) fonction(s) organique(s) qu il possède, modifiée(s) par la réaction (1), - la quantité de matière utilisée pour la synthèse. Cette première étape se fait en présence d un morceau de sodium, qui réagit avec l ED selon la réaction (2): H H + 2 Na Na + + H 2 I.3 Dans cette réaction, le sodium intervient en tant que : oxydant? réducteur? - catalyseur? acide? base? Justifier votre réponse. n chauffe à reflux pendant 30 minutes. I.4 Que signifie «chauffer à reflux»? Quel est le rôle de cette opération?.r.c. Académie de Poitiers 2006 Questionnaire / 1 / 7

2 n procède ensuite à une distillation fractionnée du mélange réactionnel obtenu. I.5 Faire le schéma annoté du montage de distillation fractionnée réalisable au laboratoire. I.6 Quelle est la nature du produit distillé? Justifier. n en recueille 3,6 ml. I.7 Déterminer la quantité de matière correspondante. I.8 Calculer l avancement final de la transformation chimique (1). I.9 En déduire le taux d avancement de la transformation chimique (1). Le contenu du ballon est ensuite refroidi ; on ajoute quelques glaçons, et on récupère le bis(2-hydroxyéthyl)téréphtalate solide par filtration sous pression réduite. I.10 Quel matériel utilise-t-on pour réaliser une filtration sous pression réduite? La réaction de polymérisation : H H H + + H n H n est catalysée par l acide paratoluènesulfonique (APTS). I.11 Donner la formule semi-développée du motif du PET. I.12 Donner la formule semi-développée du monomère du PET. Données : Masses molaires en g.mol -1 : M(H) = 1; M(C) = 12 ; M() = 16 g.mol -1 Températures d ébullition en C (sous pression atm) : DMTP : 288 ED : 196 CH 3 H : 65 Températures de fusion en C (sous pression atm) : DMTP : 140 bis(2-hydroxy éthyl)térephtalate : 108 Densités : ED : 1,1 CH 3 H : 0,79.R.C. Académie de Poitiers 2006 Questionnaire / 2 / 7

3 Partie II Principe d un adoucisseur Partie A : questions sur l adoucisseur d eau domestique II.A.1 Que signifie l expression «eau dure»? II.A.2 Quels inconvénients présente ce type d eau? II.A.3 Expliquer simplement le principe d un adoucisseur domestique fonctionnant avec une résine cationique. II.A.4 Ecrire la réaction qui se produit quand une solution d ions magnésium traverse une résine cationique sous la forme (R-S 3 -, Na + ). II.A.5 Quels sont les inconvénients de ce type d adoucisseur pour la santé? Partie B : Déminéraliser une eau d Hépar avec une résine acide Protocole : Utilisation de la colonne de chromatographie Préparer un bécher de 250 ml sous la burette afin de recueillir les éluants. Introduire à l aide d une pipette jaugée 10 ml d eau Hépar en faisant couler le liquide le long de la paroi de la burette. Régler le débit en un goutte-à-goutte lent : une goutte par seconde. Effectuer une mesure du ph au cours de l élution avec le papier ph. Lorsque le niveau du liquide affleure la résine, ajouter de l eau distillée à la pipette (50 ml au maximum ajoutés par fractions successives de 10 ml), toujours en laissant couler le liquide le long de la paroi de la burette. Laisser éluer jusqu à ce que le ph de l éluant ait repris sa valeur initiale (celle de l eau distillée). Ajouter à l éluant 5 ml de tampon ammoniacal (voire un peu plus si nécessaire), vérifier que le ph est d environ 10, ajouter un comprimé de NET. Dosage acido-basique de l éluant Porter l éluant à ébullition pendant 5 min. Laisser ensuite refroidir. Remplir une burette de 25,0 ml avec une solution de soude de concentration 2, mol.l -1. Placer le bécher contenant l éluant sous la burette. Ajouter quelques gouttes de bleu de bromothymol. Réaliser le dosage. Relever la valeur du volume à l équivalence. Questions sur le protocole II.B.1 Pourquoi le ph de l eau distillée est-il inférieur à 7? II.B.2 Pourquoi le contrôle du ph de l éluant permet-il de vérifier le bon déroulement du protocole? II.B.3 Quelle information nous donne le changement de couleur de la solution quand on ajoute un comprimé de NET? II.B.4 Ecrire la réaction du dosage acido-basique. II.B.5 n note un volume équivalent de 16,2 ml. Déterminer la quantité d ions H + contenus dans l éluant, puis la concentration pour 10 ml d eau Hépar..R.C. Académie de Poitiers 2006 Questionnaire / 3 / 7

4 Partie III Synthèse du jasmin artificiel Depuis l Antiquité, l homme utilise les parfums, les colorants,, à des fins cosmétiques ou alimentaires. Ceux-ci ont d abord été extraits de produits naturels, d origine animale ou végétale. Parmi les substances extraites, on peut citer les huiles essentielles. Le β-bromostyrène, de formule C 6 H 5 -CH=CH, est une molécule de synthèse à odeur de jasmin utilisé en remplacement de l essence naturelle. Il est fabriqué à partir de l acide cinnamique de formule C 6 H 5 -CH=CH-CH. La synthèse se fait en deux étapes : 1 ère étape : acide cinnamique CH bromation avec tribromure de pyridinium CH acide dibromocinnamique 2 ème étape : CH acide dibromocinnamique élimination avec Na 2 C 3 jasmin artificiel = β-bromostyrène III.1 Qu est ce qu une huile essentielle? III.2 Quelle isomérie présentent l acide cinnamique et le jasmin? III.3 Représenter les stéréoisomères du jasmin et les nommer. III.4 Quel type de réaction est-il mis en jeu entre le dibrome (du tribromure de pyridium) et l acide cinnamique? III.5 Quelle fonction permet-elle de caractériser? III.6 Le produit obtenu, l acide dibromocinnamique, précipite. Le précipite est ensuite lavé. Pourquoi lave-t-on le précipité? III.7 Comment peut-on vérifier la pureté du produit obtenu? III.8 A quoi sert la solution de carbonate de sodium utilisée dans la 2 ème étape? Un ester à odeur de jasmin peut être synthétisé à partir d un mélange d acide éthanoïque CH 3 CH et d alcool benzylique C 6 H 5 CH 2 H avec quelques ml d acide sulfurique. Le mélange réactionnel est ensuite chauffé à reflux sous la hotte pendant 1 heure. III.9 Écrire l équation traduisant la réaction d estérification étudiée. Précisez le nom de l ester formé. III.10 Quel est le rôle de l acide sulfurique concentré? III.11 Quel est le rôle du chauffage?.r.c. Académie de Poitiers 2006 Questionnaire / 4 / 7

5 Partie IV Titrage d'une solution commerciale de méthanal Lors de la préparation d une colle à bois, on synthétise une résine urée-formol. Cette synthèse nécessite donc l utilisation de formol dont le nom officiel est le méthanal. IV.1 Quelle fonction organique est présente dans le méthanal? IV.2 Donnez la formule développée et encadrez le groupe fonctionnel. Afin d utiliser une juste quantité de formol, on vérifie au préalable, par dosage, les informations données par le fabriquant sur l étiquette de la solution commerciale : Masse moléculaire : 30,03 g.mol -1 Teneur minimale : 30% Température de fusion : -15 C Température d ébullition : 97 C Densité : d = 1,083 IV.3 Quel est l état physique du formol à la température ambiante? Justifiez votre réponse. Pour vérifier la teneur minimale, un dosage est effectué selon le protocole suivant : n introduit dans un erlenmeyer de 250 ml placé dans un bain-marie sur une plaque chauffante, 2,0 ml de formol commercial, 3 ml d'eau oxygénée à 30 % et 30,0 ml de potasse à 1,00 mol.l -1 n agite et on observe un dégagement gazeux qui s'accompagne d'un léger échauffement de la solution. n chauffe légèrement ensuite pendant 1/4 d heure au bain-marie. IV.4 Calculer la quantité de matière initiale en formol en supposant les informations de l étiquette exacte. Calculer la quantité de matière initiale en ion hydroxyde apportée par la potasse. La réaction de dosage est la suivante : 2 HCH + H (K + + H - ) 2 (HC - + K + ) + H 2 (g) + 2 H 2 IV.5 Le peroxyde d hydrogène apporté par l eau oxygénée étant en excès, déterminer, qui du formol ou des ions hydroxydes, constitue le réactif en défaut. Les ions hydroxydes étant en excès, on va alors procéder à un titrage de l excès afin de retrouver la quantité de matière utilisée en formol. Le réactif titrant est l acide chlorhydrique de concentration c A = 1,0 mol.l -1. IV.6 Faire un schéma annoté du dispositif de titrage. IV.7 Ecrire l équation de la réaction de titrage. IV.8 Donnez les trois propriétés d une réaction de titrage. IV.9 S agit-t-il d une réaction d oxydo-réduction ou acido-basique (justifiez)?.r.c. Académie de Poitiers 2006 Questionnaire / 5 / 7

6 n utilise un indicateur coloré, la phénolphtaléïne afin de repérer l équivalence. Couleur «acide» Zone de virage Couleur «basique» Incolore Rose, violet IV.10 Donner une définition de l équivalence n observe un changement de coloration du milieu réactionnel pour un volume versé de v A = 7,0 ml. IV.11 Indiquez la couleur avant et après l équivalence. IV.12 En utilisant un tableau descriptif de l évolution du système (tableau d avancement), déterminer la quantité d ions hydroxyde en excès. Etat Etat initial x=0 Avant l équivalence A l équivalence Après l équivalence Avancement x en mmol 0 x x éq x IV.13 A partir du résultat précédent, déterminer la quantité de matière en formol réellement prélevée dans les 2,0 ml. IV.14 En déduire la teneur et comparer avec celle annoncée par le fabriquant..r.c. Académie de Poitiers 2006 Questionnaire / 6 / 7

7 Partie V Nettoyants ménagers V.1 n souhaite dissoudre 1,8 litres de dichlore à l état gazeux Cl 2(g) dans 1 litre d eau distillée. n obtient alors de l eau de chlore de formule Cl 2(aq). V.1.1 Quelle est la couleur du dichlore gazeux? V.1.2 Quelle est la concentration en dichlore [ ] 2 volume molaire à 25 C est V m = 24,0 L.mol -1? Cl de la solution obtenue sachant que le V.2 L'eau de Javel est une solution aqueuse d'hypochlorite de sodium (Na +, Cl - ) et de chlorure de sodium (Na +, Cl - ) en milieu basique. L ion hypochlorite, constituant actif de l eau de Javel, confère à la solution un caractère oxydant mais cet ion possède aussi les caractères d une base. V.2.1 Quelle est l utilité de l eau de Javel? V.2.2 n constate que le dioxyde de carbone de l air favorise la formation de l acide hypochloreux HCl. Sachant que l acide hypochloreux appartient au couple HCl/Cl - et que le dioxyde de carbone C 2 appartient au couple (C 2, H 2 )/HC 3 -, écrire alors l équation-bilan de la réaction de C 2 sur Cl -. V.2.3 Sur l emballage d une eau de Javel, on peut lire : «Ne pas utiliser en combinaison avec d autres produits ; au contact d un acide, dégage un gaz toxique». V Quel est ce gaz toxique? V Écrire l équation bilan de la réaction ayant lieu en milieu acide sachant que les couples qui interviennent sont Cl - /Cl - et Cl 2 /Cl -. V Établir le tableau d avancement en notant n 1, n 2 et n 3 les quantités de matière initiales. V En déduire l expression de la constante d équilibre K en fonction de l avancement final x f. V n ajoute quelques gouttes d acide chlorhydrique dans la solution. Dans quel sens évolue la réaction? Justifiez la réponse. V.3 Un savon est un mélange de carboxylates de sodium (Na +, RC - ) ou de carboxylates de potassium (K +, RC - ). n peut représenter l ion carboxylate de la manière suivante : où le cercle symbolise le groupement carboxylate. V.3.1 Quelle est la partie hydrophile? la partie hydrophobe? V.3.2 Définir les termes hydrophile et hydrophobe. n dit qu un savon est peu efficace dans une eau dure. V.3.3 Qu est-ce qu une eau dure? V.3.4 Que se passe-t-il en présence des ions carboxylates RC -?.R.C. Académie de Poitiers 2006 Questionnaire / 7 / 7