OLYMPIADES DE LA CHIMIE 2006

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1 OLYMPIADES DE LA CHIMIE 2006 CONCOURS REGIONAL DE L'ACADEMIE DE TOULOUSE Durée de l'épreuve : 1 Heure FICHE D IDENTIFICATION Nom : Numéro : (Ne pas remplir) Prénom : Etablissement : Classe : N de téléphone personnel : Adresse mail : 1

2 NOM : PRENOM : NUMERO : (Ne pas remplir) Les polymères dans l habitat (.../ 120 points) I- A propos du bois (18 pts) : Le bois contient 40 % de cellulose de formule brute (C 6 H 10 O 5 ) n avec 3500 < n < Quel est le nom de l unité C 6 H 10 O 5? A quelle famille appartient ce monomère? 2-Comment appelle-t-on l ensemble de la macromolécule? 3-Qu est ce que «n»? On suppose que n = Calculer la masse molaire moléculaire de cette macromolécule. 5-Quelle masse de carbone tire-t-on de la cellulose provenant de 2 t de bois? 6- Le monomère C 6 H 12 O 6 est formé dans les végétaux à partir de l eau et du CO 2 de l air. a- Complétez l équation de la réaction : H 2 O + CO 2 C 6 H 12 O b- Quel produit de la réaction est donc également formé? c- Quel nom donne t on au processus qui a pour bilan cette réaction? d- Quel nom porte le processus inverse? 7- La molécule du monomère de la cellulose est représentée ci-dessous dans sa forme cyclique α la plus stable. Les atomes de carbone sont numérotés de 1 à 6. a- Quelle est la particularité du carbone n 1? H 6 C 2 HOH b- Comment s appelle la conformation prise par la molécule sur le dessin? c- Entourer et donner le nom des fonctions présentes sur cette molécule. 8- Qu est ce qu un matériau hydrophile? La cellulose est-elle hydrophile ou hydrophobe? Quelle conséquence cela a t il sur les propriétés du bois? HO 4 3 HO H 5 2 H H HO O 1 H OH 2

3 II- Polyéthylène (20 pts) Le polyéthylène a été développé industriellement en Angleterre, il y a une cinquantaine d'années. C'est l'une des matières plastiques les plus répandues. Les qualités du polyéthylène peuvent de toute façon se résumer comme suit: faible coût, usinage facile, ténacité et flexibilité aux basses températures, absence d'odeur et de toxicité, transparence. 1- Que signifient les sigles PEHD et PEBD? 2- Quelles sont les principales applications du polyéthylène dans l habitat? 3- Donner le nom et la formule semi-développée du monomère dont le polyéthylène est issu. 4- Quelle est la partie de la molécule dont la réactivité particulière permet la réaction de polymérisation? 5- Donner la formule semi-développée du polyéthylène. 6- Ecrire la réaction de formation du polyéthylène à partir de son monomère. 7- Quelles sont les deux grands types de réactions de polymérisation? Auquel de ces deux types la réaction de formation du polyéthylène appartient t elle? 7- Que signifie polymère «linéaire», «réticulé», «branché»? 8- On obtient le PEBD par une synthèse radicalaire, tandis que le PEHD est obtenu par voie ionique. Quel type de polymère (c.f. question précédente) obtient-on dans chacun des deux cas? Justifier en comparant les réactivités des espèces mises en jeu au cours de ces deux synthèses. 3

4 III- Polyméthacrylate de méthyle (26 pts) C'est le plus important des polymères dérivés de l'acide acrylique (de formule semi-développée CH 2 =CH- COOH), produit à l'échelle industrielle depuis le début de la deuxième guerre mondiale. Il s'agit d'un matériau rigide, transparent, doté d'une capacité exceptionnelle de transmission de la lumière, supérieure à celle des verres inorganiques. 1- Quel est le sigle utilisé pour désigner ce polymère? s 2- Quelle caractéristique principale de ce polymère est-elle à la base de sa principale application dans le bâtiment? Quelle est cette application? 3- Donner la formule du méthanol. 4- Ecrire la réaction qui a lieu entre le méthanol et l acide acrylique. 5- De quel type de réaction s agit-il? 6- Quel est le nom du produit obtenu? Quelle fonction ce produit porte t-il? 7- Cette réaction possède-t-elle un rendement satisfaisant pour une utilisation industrielle? Expliquer. 8- Comment peut-on faire au laboratoire pour augmenter ce rendement? Donner deux méthodes. 4 pts 9- De manière générale, les résines acryliques ont pour formule générale : ( CH 2 -CXY ) n avec : X = C x H 2x+1 (x = 0 ou 1) Y = COO-C y H 2y+1 ou CONH 2 ou CN Une résine acrylique ne possédant pas de caractère acide renferme 32,0 ± 0,1% d oxygène et 0% d azote (en masse). On cherche sa formule semi développée. a- En fonction des résultats des analyses effectuées sur cette résine, quelles possibilités peut on éliminer pour le groupement Y? s b- Donner la formule brute de cette résine en fonction des x et y. c- Exprimer sa masse molaire en fonction de x, y et n. d- Calculer la somme x+y. e- Quelles sont les valeurs possibles pour x et y? 4

5 f- Donner la ou les formules semi développées possibles pour cette résine. IV- Polychlorure de vinyle (17 pts) Le chlorure de polyvinyle est - avec le polyéthylène, le polystyrène et le polypropylène - la matière plastique la plus répandue. 1- Quelles sont les principales utilisations du PVC dans l habitat? Donner deux exemples significatifs. 2- Donner la formule du polychlorure de vinyle. s 3- A quelle famille d éléments le chlore appartient-il? Donner sa configuration électronique (Z=17). 4- Quelle autre matière plastique courante utilisée pour réaliser des revêtements anti-adhésifs contientelle un élément de la même famille? Quel est le nom commercial de ce polymère? Quelle propriété particulière possède t-il? 5- Quelle sont les deux principaux produits issus de la combustion des matières plastiques (comme de toutes les matières organiques)? 6- Quel gaz mortel se dégage-t-il lorsqu on fait brûler du PVC? Quel est paradoxalement l avantage que présente le dégagement de ce gaz lors de la combustion? Dans un échantillon de PVC, on étudie la répartition des masses des macromolécules présentes et on découvre que ces masses varient entre et 1, g mol Entre quelles valeurs varie le nombre de monomères enchaînés dans cet échantillon? Données : M en g mol -1 C H O Cl atomes ,5 Un polymère P a une température de transition vitreuse Tg = 10 C 8- Quel sera à votre avis le comportement mécanique (rigide, flexible, étirable, cassant...) de ce polymère à T 1 = -10 C et à T 2 = 30 C? Pourrait-on l utiliser pour fabriquer des canalisations? 5

6 V- Nylons (et polyamides...) (16 pts) La moquette qui empêche nos pieds de geler les froids matins d'hiver est faite de nylon Quel est le nom de la liaison rencontrée dans la fibre de Nylon? s 2- Dans quels polymères naturels rencontre t on ce type de liaison? Quel nom celle-ci prend t elle alors? 3- A quelle grande famille de polymères les Nylons appartiennent-ils? 4- On donne la formule chimique du nylon 6,6 en représentation topologique : a- Que signifient les chiffres 6 et 6? b- Ce polymère est-il un homopolymère? un copolymère? c- Retrouver la formule du (des) monomère(s) constituant le nylon 6,6. Quel est son (leurs) nom(s)? 4 pt 5- Un polymère industriel dont la combustion engendre une odeur de poil brûlé a pour composition centésimale (en masse) C : 72.1% ; H : 11,5% ; N : 7,65% ; O : 8.75 % En admettant que le motif ne comporte qu un atome d azote, donner sa formule brute (1) sous la forme C x H y NO t (avec z=1). Proposer une formule (2) pour ce composé appelé nylon 11. (Masses molaires en g.mol -1 : H : 1 ; C : 12 ; N : 14 ; O : 16) 5 pts VI- Les polymères du XXI e siècle (2). La principale source de matière plastique provient des produits de transformation du pétrole. Or les ressources en pétrole n'étant pas intarissables, l'homme cherche donc à produire des matières plastiques à partir de matière première renouvelable. On se propose d étudier un plastique produit à partir du colza : à partir des graines de colza, on tire une huile riche en acide érucique. L'acide érucique est une des formes de l'acide docos-13-énoïque représenté ci-dessous. CH 3 -CH 2 -CH 2 -CH 2 -CH 2 -CH 2 -CH 2 -CH 2 -CH=CH-CH 2 -CH 2 -CH 2 -CH 2 -CH 2 -CH 2 -CH 2 -CH 2 -CH 2 -CH 2 -CH 2 -CO 2 H que l'on peut écrire : CH 3 -(CH 2 ) 7 -CH=CH-(CH 2 ) 11 -CO 2 H 6

7 1- Quels sont les noms des 2 fonctions caractéristiques portées par la molécule d'acide érucique? 2- Donner la formule brute de l'acide érucique. 3- L'acide docos-13-énoïque possède deux isomères, l'un d'eux étant l'acide érucique. Justifier cette affirmation. 4- Comment nomme t'on ce type d'isomérie? 5- Que faut-il ajouter au nom de l'acide docos-13-énoïque pour différentier les deux molécules? 6- Faire un schéma montrant clairement les deux configurations et le nom qui leur est associé. 7- L'acide érucique subit une transformation qui conduit à l'obtention d'acide pélargonique et d'acide brassilique représentés ci-dessous. H3 C CH 2CH2 CH 2CH2 CH 2CH2 CH 2COOH acide pelargonique HOOC CH 2CH2 CH 2CH2 CH 2CH2 CH 2CH2 CH 2CH2 CH 2COOH acide brassilique a- Donner le nom en nomenclature systématique de l'acide pélargonique. b- la transformation dont il est question est elle une réaction de réduction? d estérification? d'oxydation? c- Pour réaliser cette transformation il est possible d'utiliser l'ozone. Représenter une molécule d'ozone. Préciser la géométrie de cette molécule. d- On peut également utiliser l'eau oxygénée (H 2 O 2 ) en milieu acide pour réaliser cette transformation. Ecrire la formule de Lewis de l eau oxygénée. En quelle molécule l'eau oxygénée va t'elle être transformée? 7

8 8- Dans cette question, on cherche à écrire l'équation de réaction pour l'acide pent-3-énoïque : CH 3 -CH=CH-CH 2 -COOH a- Equilibrer les demi équations d'oxydation réduction suivantes : H 2 O 2... =... CH 3 -CH=CH-CH 2 -COOH +... = CH 3 COOH + HOOC-CH 2 -COOH +... b- Complétez maintenant l'équation-bilan : CH 3 -CH=CH-CH 2 -COOH + H 2 O Transformation de l'acide brassilique : La moitié de l'acide brassilique est amené à réagir avec un excès d'ammoniac (NH 3 ). a- Ecrire l'équation de la réaction. b- S'agit-il d'une réaction d oxydoréduction? acide-base? d'estérification? de saponification? 10- Le produit de cette réaction est ensuite déshydraté puis hydrogéné, on obtient le composé ci dessous. H 2 N-CH 2 -CH 2 -CH 2 -CH 2 -CH 2 -CH 2 -CH 2 -CH 2 -CH 2 -CH 2 -CH 2 -CH 2 -CH 2 -NH 2 Nommer le groupe caractéristique porté par ce composé : On fait réagir ce composé avec l'autre partie d'acide brassilique. On obtient des macromolécules linéaires par condensation d'un groupe caractéristique "acide carboxylique" avec un groupe caractéristique " NH 2 ". Cette macromolécule est commercialisée sous l'appellation Nylon a- Quel groupe caractéristique se forme t il lors de la réaction de "polymérisation"? b- A quelle famille de matières plastiques le Nylon appartient-il? c- Représenter la maille de cette macromolécule. FIN DU QUESTIONNAIRE 8