Centre de Pau. XXIIèmes Olympiades de la Chimie. Concours 2006 des classes de terminale. «Chimie et habitat»

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1 Olympiades de la Chimie, Centre de Pau Concours 2006 Page 1/6 Union des Industries Chimiques Olympiades de la Chimie Centre de Pau XXIIèmes Olympiades de la Chimie Concours 2006 des classes de terminale Numéro de candidat CORRECTION «Chimie et habitat» Étude d un protocole : résine échangeuse d ions Données Protocole Questions...3

2 Olympiades de la Chimie, Centre de Pau Concours 2006 Page 2/6 Données On donne les masses molaires suivantes : M(H) = 1 g/mol M(C) = 12 g/mol M(N) = 14 g/mol M(O) = 16 g/mol M(Na) = 23 g/mol M(Mg) = 24,3 g/mol M(S) = 32 g/mol M(Cl) = 35,5 g/mol M(K) = 39 g/mol M(Ca) = 40,1 g/mol On donne les indications suivantes : ρ(formol) = 0,815 g/cm 3 ρ(aniline) = 1,022 g/cm 3

3 Olympiades de la Chimie, Centre de Pau Concours 2006 Page 3/6 1. Protocole Nous allons étudier ici la synthèse d une résine échangeuse d ion à partir du formol et de l aniline Dans un erlenmeyer de 250 ml, verser 10 ml d aniline Ajouter 30 ml d acide chlorhydrique à 10% et mélanger jusqu à homogénéisation Ajouter ensuite 12 ml d une solution de formol à 37% et agiter doucement Après quelques minutes, le milieu réactionnel s épaissit puis prend en masse, en prenant une teinte orange sombre Récupérer le gel obtenu et l expurger au mieux de son eau entre plusieurs feuilles de papierfiltre Mettre ensuite la résine à l étuve portée à 90 C pendant une nuit Le lendemain, récupérer le solide obtenu (xérogel). Peser cette masse de résine. La broyer finement à l aide d un mortier 1.8. La mettre à agiter dans 100 ml d ammoniaque à 10%, deux fois de suite, puis laver plusieurs fois à l eau distillée La placer dans un cristallisoir à l étuve pendant plusieurs heures pour séchage. La résine est ainsi préparée. 2. Questions Préparation des réactifs 2.1. L aniline s appelle aussi phénylamine. Quelle est sa formule semi-développée et sa masse molaire? [1] C 6 H 5 - ; M = 93 g/mol 2.2. Avec quel instrument mesure-t-on les 10 ml d aniline à l étape 1.1? [1] Pipette jaugée de 10 ml 2.3. Quelle est la quantité de matière d aniline (notée n a ) correspondante? [1] n a = m a /M a = ρ(aniline)v a /M a = 1,022x10/93 = 0,110 mol 2.4. Quelle est la concentration C HCl d une solution d acide chlorhydrique à 10%? [1] C = 100 g/l C HCl = C /M = 100/36,5 = 2,74 mol/l (on suppose ρ = 1 g/cm 3 )

4 Olympiades de la Chimie, Centre de Pau Concours 2006 Page 4/ Quel est le nombre de mole d acide chlorhydrique introduit à l étape 1.2? [1] n HCl = C x V = 2,74 x = 0,082 mol 2.6. Avec quel instrument mesure-t-on ce volume? [1] Une éprouvette graduée Quelle réaction totale se produit entre l aniline et l acide chlorhydrique? [1] C 6 H HCl(aq) C 6 H 5 -NH + 3 (aq) + Cl - (aq) 2.8. Quelle quantité de matière de chacun des constituants y a-t-il dans le mélange après réaction? [1] C 6 H 5 - : 0,028 mol HCl(aq) : 0 mol (en défaut) C 6 H 5 -NH + 3 (aq) : 0,082 mol 2.9. Sachant que le formol est le plus simple des aldéhydes, quelle est sa formule développée et sa masse molaire? [1] H 2 C=O ; M = 30 g/mol Quelle est la concentration C f d une solution de formol à 37%? [1] C = 0,37x1000x0,815 = 301,5 g/l C HCl = C /M = 301,5/30 = 10,05 mol/l À cette concentration, est-ce que le formol est dangereux? Quelles précautions doit-on prendre? [1] Oui d après les données, le formol est toxique à cette concentration. Il faut utiliser des gants, et travailler sous hotte aspirante, obligatoirement Avec quel instrument mesure-t-on les 12 ml? [1] Une éprouvette graduée Quelle est la quantité de matière de formol (notée n f ) correspondante? [1] n f = C f x V = 10,05 x = 0,12 mol Étude de la réaction chimique En milieu acide, le méthanal se protonne sur l oxygène et laisse apparaître un carbone positif (électrophile) susceptible de réagir avec tous les sites nucléophiles de l aniline (atome d azote + les cinq positions sur le cycle). Ce grand nombre de positions réactives explique pourquoi il y a formation d un gel solide assez facilement. Les positions méta de l aniline sont beaucoup moins réactives ainsi que les cycles dont l azote est protonné. Les positions les plus réactives sont ortho et para.

5 Olympiades de la Chimie, Centre de Pau Concours 2006 Page 5/ D après ces indications, écrire la réaction chimique qui se déroule pendant l étape 1.4, entre une molécule d aniline et d une molécule de formol protonnée, en position ortho. On détaillera le mouvement des électrons avec des flèches précises. O H + OH OH OH H [2] H Faire réagir le résultat obtenu sur une nouvelle molécule d aniline. On donne le produit final : OH 2 + H H + H + + H 2 O [2] Pourquoi le gel obtenu est-il solide et non liquide? [1] Car la réticulation est tridimensionnelle. [1] L aniline possède 3 sites d accroche pour le formol Pourquoi le résultat est-il un gel et non un solide dur? [1] Parce que les molécules d eau restent emprisonnées dans le réseau tridimensionnel Étape 1.7 : quelle devrait être la masse de résine sèche obtenue si on considère que la réaction a été totale et que l aniline et le formol ont réagi mole à mole? [1] Réactif en défaut : aniline (0,11 mol). Masse molaire de 1 aniline + 1 formol = 123 g/mol Donc masse de résine si mole à mole : 0,11x123 = 13,53 g (le reste des produits est évaporé) Pourquoi doit-on broyer la résine le plus finement possible? [1] De manière à avoir une plus grande surface de contact entre la résine et une solution par la suite Étape 1.8 : le volume d ammoniaque doit-il être mesuré avec précision? [1] Non, car il s agit d une neutralisation. L ammoniaque est en excès Quelle différence y a-t-il entre «ammoniac» et «ammoniaque»? [1] L ammoniac est un gaz de formule NH 3. L ammoniaque est une solution aqueuse d ammoniac de formule NH 3 (aq) ou NH + 4,OH -.

6 Olympiades de la Chimie, Centre de Pau Concours 2006 Page 6/ La résine a été synthétisée en milieu acide, elle est sous la forme de chlorure d ammonium quaternaire. Quelle réaction chimique se produit lors de l ajout d ammoniaque? [1] On obtient la résine sous sa forme amine : (R-NH + 3,Cl - ) + (NH + 4,OH - ) R- + NH Cl - + H 2 O Dosage de la résine Une information important à connaître est la capacité d échange de la résine, c est-à-dire le nombre de sites azotés par gramme de résine. On dispose de solutions d acide chlorhydrique à 0,050 mol/l et d hydroxyde de sodium à 0,050 mol/l, d un ph-mètre précis et de verrerie usuelle de laboratoire Proposez un protocole détaillé permettant de mesurer la capacité d échange de cette résine. [5] La capacité d échange de la résine est le nombre de site azoté par gramme de résine. On peut par exemple placer une certaine masse de résine dans de l eau distillée, dans un bécher sous agitation magnétique. On place un ph-mètre étalonné dans la solution, puis on ajoute goutte-à-goutte une solution d acide chlorhydrique à exactement 0,050 mol/l. Après chaque ajout on laisse le ph se stabiliser. L acide fort réait sur les sites azotés de la résine jusqu à ce que la totalité des sites aient réagi. On observe à l équivalence une variation de ph. On en déduit le nombre de mole de site pour la masse de départ.