Épreuve de CHIMIE Examen 1, Décembre 2015 Classe : 1SA 1SB Durée : 100 min

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1 Nom : N o : Épreuve de CHIMIE Examen 1, Décembre 2015 Classe : 1SA 1SB Durée : 100 min L usage d une calculatrice programmable est permis. Ce sujet comporte 7 pages numérotées de 1/7 à 7/7. La feuille 7 est à rendre avec la copie. Premier exercice (5 points) Fabrication du savon La fabrication du savon est l une des plus anciennes utilisations des corps gras. Jusqu au milieu du XX e siècle, elle se réalisait dans des chaudrons, en milieu aqueux. L opération était longue et fastidieuse. En travaux pratiques, on la réalise plus rapidement, en solution alcoolique, selon les mêmes étapes. On se propose de fabriquer du savon par la réaction à chaud de l huile d olive avec de la soude concentrée. Le savon dur est composé d oléate de sodium de formule C 17 H 33 COONa. La fabrication du savon est faite selon les étapes ci-dessous : Étape 1 : on chauffe pendant trente minutes un mélange: D huile d olive (essentiellement constituée d oléine), De soude D éthanol, De quelques grains de pierre ponce. Étape 2 : on laisse refroidir le mélange quelques minutes puis on le transvase dans un bécher contenant une solution aqueuse concentrée de chlorure de sodium. Étape 3 : le précipité obtenu est filtré, rincé à l eau salée, séché puis pesé.

2 Données : - L oléine est un triglycéride naturellement présent dans les huiles et les matières grasses végétales. C est un triester. La formule semi-développée de l oléine est : - Tableau des solubilités Réactif Oléine Hydroxyde de sodium (soude) Savon Solubilité dans l'eau insoluble soluble Peu soluble Solubilité dans l'éthanol soluble soluble Soluble Solubilité dans l'eau salée insoluble soluble Insoluble - Electronégativités de quelques éléments chimiques : Χ(H) = 2,2 Χ(C) = 2,6 Χ(O) = 3,4 Partie A : A propos du mode opératoire 1. Donner le nom de chaque opération réalisée aux étapes 1 et En vous aidant du tableau des solubilités, justifier : 2.1 L ajout de l éthanol dans le mélange réactionnel (sachant qu il n est pas un réactif) 2.2 L emploi de l eau salée dans l étape Nommer les éléments (b) et (c) du montage utilisé dans l étape Donner le rôle de l élément (a). 5. Donner le rôle de la pierre ponce. 6. Pourquoi opère-t-on à chaud? 7. Recopier la formule semi-développée de l oléine et entourer les trois groupes caractéristiques montrant que c est un triester.

3 Partie B : Mode d action d un savon On peut représenter schématiquement l ion actif d un savon de la façon suivante : Épreuve de CHIMIE Pour simplifier on peut représenter l ensemble ainsi : 1. Ecrire l équation de dissolution du savon dans l eau. 2. Reproduire le schéma simplifié et légender chaque partie à l aide du vocabulaire suivant : Hydrophobe, hydrophile, lipophile, lipophobe. 3. Attribuer en justifiant le caractère polaire et apolaire à chacune des parties du savon. 4. Choisir en justifiant parmi les schémas de la figure 1 ci-dessous, celui qui peut expliquer le mode d action d un savon. Deuxième exercice (10 points) Précipitation du phosphate de calcium Au cours d une séance de travaux pratiques, on souhaite étudier la précipitation du phosphate de calcium de formule Ca 3 (PO 4 ) 2. Pour cela, il est nécessaire de préparer des solutions de nitrate de calcium et de phosphate de sodium. Partie A : Préparation de la solution de nitrate de calcium On souhaite disposer d une solution S 1 de nitrate de calcium de volume V = 100 ml et de concentration molaire en soluté apporté C 1 = 0,200 mol.l -1. Donnée : Masse molaire de nitrate de calcium, M (Ca(NO 3 ) 2 ) = 164 g.mol -1.

4 1. Calculer la masse m 1 de nitrate de calcium nécessaire pour réaliser cette préparation. 2. Décrire le mode opératoire pour réaliser S Ecrire l équation de dissolution du nitrate de calcium dans l eau. 4. Calculer la concentration molaire effective de chacun des ions présents en solution. Partie B : Préparation de la solution de phosphate de sodium On souhaite préparer une solution S 2 de phosphate de sodium 3Na + (aq) + PO (aq) de concentration en ion sodium [Na + ] = 0,600 mol.l -1, par dilution d une solution mère de concentration en soluté apporté C = 1,00 mol.l -1. Pour cela, on dispose au laboratoire du matériel suivant : - Pipettes jaugées : 1 ml, 5mL, 10 ml, 20 ml - Béchers graduées : 50 ml, 100 ml, 500 ml, 1000 ml - Eprouvettes graduées : 50 ml, 100 ml, 250 ml - Fioles jaugées : 50 ml, 250 ml, 500 ml, 1000 ml 1. Déterminer la concentration molaire C 2 en soluté apporté de la solution S 2 et celle des ions phosphate. 2. Choisir, parmi le matériel ci-dessus, celui qui va conduire à la meilleure précision. Justifier la réponse. Partie C : Étude de la réaction de précipitation On introduit dans un bécher un volume V 1 = 25,0 ml de solution S 1 de nitrate de calcium et un volume V 2 = 20,0 ml de solution S 2 de phosphate de sodium. On observe l apparition d un précipité blanc de phosphate de calcium. L équation de la réaction de précipitation est la suivante : 3Ca 2+ (aq) + 2PO (aq) Ca 3 (PO 4 ) 2 (s) 1. Calculer la quantité de matière de chacune des espèces introduites à l état initial. 2. Compléter le tableau d avancement sur la feuille annexe. 3. Déterminer le réactif limitant. 4. Donner la composition molaire du mélange à l état final. 5. Déduire la concentration molaire des différentes espèces ioniques présentes à l état final. 6. On filtre le mélange obtenu et on recueille le filtrat. 6.1 Vérifier que le filtrat obtenu constitue une solution électriquement neutre.

5 6.2 Dans le but de vérifier la nature du réactif en excès, on effectue un test chimique : a) Choisir de la liste ci-dessous, une espèce permettant de réagir avec le réactif en excès. Nitrate de sodium, nitrate d argent, carbonate de sodium. b) Écrire l équation de la réaction chimique correspondant à ce test chimique. Troisième exercice (5 points) Étude d une eau minérale naturelle Données : Conductivité molaire ionique à 20 C, en ms.m 2.mol -1 λ (SO ) = 10,0 λ (HCO ) = 3,46 λ (Ca2+ ) = 7,44 λ (Cl - ) = 4,75 λ (Mg 2+ ) = 7,56 λ (Na + ) = 3,13 λ (K + ) = 4,60 λ (NO ) = 6,43 Masse molaire, en g.mol -1 M (Ca 2+ ) = 40,1 M (HCO ) = 61 L étiquette d une bouteille d eau minérale donne de très nombreux renseignements sur la composition de l eau. Nous lisons, entre autres : Caractéristiques chimiques, en mg/l : Calcium Ca 2+ : 78 Hydrogénocarbonate HCO : 357 Caractéristiques chimiques, en mmol/l : sodium Na + : 0,22 Chlorure Cl : 0,13 Potassium K + : 0,026 Nitrate NO : 0,061 Magnésium Mg 2+ : 0,99 Sulfate SO : 0,10 Résidu sec, à 180 C : 309 mg/l ph = 7,2 à 25 C D autres paramètres, comme la conductivité, sont par ailleurs contrôlés quotidiennement. Pour cette eau minérale : à 20 C, σ = 521µS.cm -1 et, à 25 C, σ 1 = 578 µs.cm Le résidu sec correspond principalement aux solutés solides présents après évaporation de toute l eau. Ecrire les formules statistiques de quatre solutés solides susceptibles de se trouver dans les résidus secs.

6 2. Dire pourquoi indique-t-on la température à laquelle la conductivité a été déterminée. 3. On souhaite vérifier la valeur de la conductivité en faisant au laboratoire une mesure de conductance avec une cellule conductimétrique de constante k = S/l. 3.1 Dans un premier temps, on détermine k avec une solution de chlorure de potassium dont la conductivité à 25 C vaut σ 0 = 1,260 S.m -1, la mesure de sa conductance donne : G 0 = 15,48 ms. Calculer k. 3.2 Calculer les conductances de l eau minérale avec le même montage, à 20 C et à 25 C, si les valeurs indiquées sur l étiquette sont correctes Rappeler la relation entre la concentration massique d un ion et sa concentration molaire. 4.2 Calculer, à partir des caractéristiques chimiques données, la concentration molaire effective de des ions calcium et des ions hydrogénocarbonate présents dans l eau. 5. Déduire, effectivement, la conductivité de cette eau minérale à 20 C, en S.m -1 et µs.cm Le contrôle de qualité est considéré ici comme satisfaisant si l écart relatif entre la mesure effectuée et l indication du fabricant est inférieur à15 %. Le résultat précédent, obtenu pour la conductivité de cette eau minérale à 20 C correspond-il à ce critère?

7 Nom : Feuille annexe à rendre avec la copie Épreuve de CHIMIE Classe : Deuxième exercice : Précipitation du phosphate de calcium Partie C, Question 2 Equation de la réaction 3Ca 2+ (aq) + 2PO (aq) Ca 3 (PO 4 ) 2 (s) Etat du système Avancement (X en mol) n (Ca 2+ ) Quantités de matière en mol n (PO ) n (Ca 3 (PO 4 ) 2 ) Etat initial 0 Etat final X max