Corrigés du sujet DTMS 2009

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1 Corrigés du sujet DTMS 2009 Voir les scans du corrigé «officiel» et du sujet Code des couleurs utilisées : Les questions sont en noir et les données en italiques comme le barème Les réponses sont en rouge Les notes de cours sont en mauve Exercice 1 : l octane et le dioxyde de carbone 5 points Le dioxyde de carbone CO 2 est reconnu comme étant le principal responsable de l effet de serre. Son émission provient notamment de la combustion des carburants. Ainsi la combustion de l octane qui est le principal composant de l essence, s effectue selon la réaction suivante :..C 8 H O 2.CO 2 +.H 2 O 1 ) Recopier et équilibrer cette équation bilan 1 point Equilibrer une équation chimique c est mettre des coefficients (stoechiométriques) devant chaque molécule de réactifs chimiques et de produits de la réaction chimique SANS modifier les formules chimiques : Les réactifs donnent les produits C 8 H /2.O 2 8.CO H 2 O NB1 : le coefficient 1 est toujours omis (non marqué) mais il existe, ne l oubliez pas! NB2 : les coefficients stoechiométriques sont les proportions relatives de chaque molécule ; ils sont utilisés lorsque on veut obtenir, comme dans une recette de cuisine, une proportion massique via les masses molaires de chaque molécules ou une proportion volumique pour les gaz uniquement via le volume molaire = 22,4 ou 24 L/mol selon la température (0 C ou 20 C). 2 ) a) A quelle famille d hydrocarbure appartient l octane? 0,25 point L octane est un alcane b) Donner la formule brute générale de cette famille d hydrocarbures 0,25 point C n H 2n+2 3 ) Calculer la masse molaire de l octane M(C 8 H 18 ) = 8 x 12g + 18 x 1 g = 114 g/mol 4 ) Ecrire la formule semi développée de l octane CH 3 CH 2 CH 2 CH 2 CH 2 CH 2 CH 2 CH 3 5 ) Sachant qu un litre d essence contient environ 6 moles d octane, calculer le nombre de moles de CO 2 formé lors de la combustion d un litre d essence. D après l équation équilibrée en 1 ) une mole d octane libère 8 moles de CO 2 en brûlant Donc 6 moles libèreront 48 moles de CO 2 6 ) En déduire le volume de dioxyde de carbone dégagé par la combustion d un litre d essence V CO2 = 48 x 24 = L 7 ) Quel serait le volume de CO 2 en litres puis en m 3 émis par une voiture qui consomme 6 L de carburant au 100 km sur un trajet de 300 km? V CO2 = L x 6 x 3 = L = 20,7 m 3 Données : M(C) = 12 g/mol ; M(H) = 1 g/mol Volume molaire : Vm = 24 L/mol 1

2 Deuxième partie : 1 ) Donner la représentation de Lewis des atomes de carbone C et d oxygène 0. Les représentations de Lewis concernent les électrons externes des atomes : un tiret représente un doublet électronique et un point représente un électron célibataire : Diaporama des représentations des 10 premiers atomes Pour le carbone : les formules électroniques : 12 6 C Modèle de Lewis : C Pour l oxygène : K(2) L(4) soit 6 électrons 16 8 O K(2) L(6) soit 8 électrons Modèle de Lewis : O H Autres atomes : le de Lewis : N Pour l azote : K(2) L(5) soit 7 électrons p 185 du livre bleu èle de Lewis : H Pour l hydrogène : K(1) soit 1 électron Pour le gaz ammoniac NH 3 : figure 5 p 190 du livre bleu 2 ) En déduire la représentation de Lewis de la molécule de dioxyde de carbone CO 2 Données : numéro atomique Z = 6 pour C et Z = 8 pour O 2

3 Exercice n 2 : Dosage acide fort / base forte 6 points Première partie Afin d effectuer le dosage d une solution d acide chlorhydrique HCl, on prépare 200 ml d une solution d hydroxyde de sodium NaOH de concentration C 1 = 0, 1 mol/l à partir d une solution mère de concentration C 0 = 1 mol/l. 1 ) Calculer le volume de solution mère à prélever ainsi que le volume d eau distillée nécessaire. 1 point La dilution : le principe de calcul réside dans l égalité entre le nombre de mole du soluté prélevé dans la solution mère (n 1 ) et le nombre de mole de soluté à mettre dans la solution fille (n 2 ) : n 1 = n 2 n = C x V car C = n/v avec C la concentration molaire en mol/l et V le volume en L n est le nombre de mole ou quantité de matière en mol. Voir le livre bleu p202 Les calculs de dilution se font avec C 1.V 1 = C 2.V 2 * correspondant à n 1 = n 2 : égalité du nombre de mole entre les solutions 1 & 2. Ici 2 est remplacé par 0! C 1.V 1 = C 0.V 0 donc V 0 = C 1.V 1 / C 0 = 0,1 x 200 = 20 ml Il faut donc prélever 20 ml de la solution mère (concentrée) et ajouter = 180 ml d eau distillée. Ce savoir est identique à celui de l exercice 2 du sujet 2008 * cette formule est donnée en fin d exercice, pour la seconde partie, mais ce n est pas toujours le cas 2 ) Indiquer le protocole opératoire ainsi que le matériel nécessaire à l obtention de la solution fille. Protocole opératoire pour réaliser une dilution : Matériel nécessaire : 1 solution mère 1 propipette 1 pipette de 20 ml 1 fiole jaugée de 200 ml pour recevoir la solution fille Avec bouchon rodé ou parafilm pour assurer le mélange 1 blouse + lunette + gants + paillasse carrelée (sécurité) 1 bécher de 100 ml pour recevoir les restes de solution mère 1 bidon de recyclage des acides 1 pissette d eau distillée 180 ml d eau distillée dans une éprouvette graduée de 200 ml Méthode : Sur une paillasse bien éclairé disposer le matériel dans l ordre d utilisation. Monter la propipette sur la pipette et la dégonfler Mélanger la solution mère en bouchant le contenant et en l agitant légèrement Plonger la pipette dans la solution mère et aspirer le liquide en gonflant la propipette Monter le liquide jusqu à la boule supérieure dite de sécurité Positionnez la pipette sur le bécher de 100 ml Enlever la propipette tout en bouchant la pipette avec votre index : les gouttes tombent dans le bécher Ajuster le niveau du liquide (ménisque bas) au trait de jauge haut Récupérer la goutte finale en touchant le bécher avec la pointe de la pipette : Attention elle est très fragile! Positionnez la pipette dans la fiole jaugée de 200 ml et laisser couler jusqu au trait de jauge bas Toujours avec le ménisque bas : les traits de jauge doivent être à la hauteur de vos yeux devant la source de lumière Vider le reste de solution mère dans le bécher Rincer la pipette à l eau distillée dans le bécher Ajouter l eau distillée dans la fiole jaugée et compéter le niveau, goutte à goutte, avec la pipette Boucher la fiole et renverser le liquide pour homogénéiser le contenu. 3

4 3 ) A l aide du pictogramme situé sur l annexe 1, indiquer les précautions à respecter lorsque l on utilise une solution d hydroxyde de sodium. C est le pictogramme «corrosif». Lorsqu on utilise de l hydroxyde de sodium il faut éviter tout contact avec la peau ainsi que les versements ou éclaboussures accidentelles. Donc travailler avec des gants, une blouse, des lunettes et sur une paillasse carrelée. De plus ce produit est nocif pour l environnement : tous les déchets qui en contiennent doivent être recyclés via le bidon contenant les bases. Pictogrammes de sécurité ; phrases R et S 4 ) La réaction de dissociation de l hydroxyde de sodium est la suivante : NaOH Na + + OH - En déduire la concentration en ions OH - de la solution fille. L équation indique qu une mole de NaOH donne une mole de OH- donc : [NaOH] = [OH - ] = 0,1 mol/l 5 ) Calculer la concentration en ions H 3 O + de cette solution. On rappelle que le produit ionique de l eau est donné par [H 3 O + ] [ OH - ] = [H 3 O + ] [OH - ] = [H 3 O + ] x 0,1 = [H 3 O + ] = / 0,1 [H 3 O + ] = mol/l 6 ) Calculer le ph de cette solution en utilisant la relation précisée dans les données ph = - log [H 3 O + ] ph = - log ph = 13 Deuxième partie 1 ) Le dosage choisi est un dosage colorimétrique avec le BBT comme indicateur coloré. On utilise un volume V 2 = 20 ml de la solution d acide chlorhydrique. Il faut alors un volume Ve = 17 ml de Na OH pour atteindre la zone de virage. a ) Calculer la concentration C 2 de la solution d acide chlorhydrique. C 2.V 2 = C 1.Ve C 2.= C 1.V e /V 2 C 2.= 0,1.17 / 20 C 2.= 0,085 mol/l 1 point b ) l équation de dissociation de l acide chlorhydrique est la suivante : H 2 O + HCl H 3 O + + Cl - En déduire la concentration en ion H 3 O + de cette solution [H 3 O + ] = C2 = 0,085 mol/l 2 ) Calculer le ph de cette solution d acide chlorhydrique. Arrondir au dixième. ph log 0,085 ph = 1,07 ph = 1,1 Données : C 2.V 2 = C 1.Ve ; ph = - log [H 3 O + ] 4

5 Exercice n 3 : Dureté d une eau minérale : 3 points Une eau minérale bien connue donne sur l étiquette de ses bouteilles les informations suivantes : Calcium 468 mg/l Sulfates mg/l Magnésium 74,5 mg/l Nitrates 2,9 mg/l Sodium 9,4 mg/l 1 ) Donner la formule des ions sulfates et des ions nitrates 0,25 point Sulfates 2- SO 4 Nitrates - NO 3 2 ) On se propose de calculer la dureté de cette eau minérale. Citer les ions pris en compte dans le calcul de la dureté des eaux. 0,25 point Les ions pris en compte sont les ions Ca 2+ et Mg 2+ 3 ) Exprimer la concentration en g/l des ions calcium et magnésium [Ca 2+ ] = 0,468 g/l [Mg 2+ ] = 0,0745 g/l 4 ) Calculer la concentration des ions calcium et magnésium en mol/l 1 point Arrondir à 10-4 mol/l [Ca 2+ ] = 0,468 / 40 = 117 x 10-4 [Mg 2+ ] = 0,0745 / 24 = 31 x 10-4 mol/l mol/l Données : M(Mg) = 24 g/mol ; M(Ca) = 40 g/mol 5 ) Calculer le degré hydrotimétrique français de cette eau minérale Rappel : 1 degré hydrotimétrique français (1 f) correspond à une concentration molaire totale en ions Ca 2+ et Mg 2+ égale à 10-4 mol/l Le degré hydrotimétrique est = = 148 f 6 ) On considère qu une eau est dure lorsque son degré hydrotimétrique est supérieur à 25 f. Que peut-on dire de cette eau minérale? Cette eau est donc extrêmement dure 5

6 Exercice n 4 : L eau oxygénée H 2 O 2 : 2,5 points L eau oxygénée ou peroxyde d hydrogène est particulièrement appréciée pour le blanchiment des fibres naturelles mais aussi pour le blanchiment des fibres synthétiques seules ou mélangées. L eau oxygénée est une solution aqueuse de peroxyde d hydrogène H qui se décompose très lentement à la température ordinaire. Les deux demi équations électroniques intervenant dans cette décomposition sont les suivantes : H H e - 2 H 2 0 (1) H gagne 2 électrons. H / H 2 0 H O H e - (2) H perd 2 électrons O 2 / H (inversion) 1 ) Indiquer laquelle de ces demi-équations est une oxydation et laquelle est une réduction. Justifier les réponses. Equation (1) : réduction car il y a gain d électrons Equation (2) : oxydation car il y a perte d électrons 2 ) Ecrire l équation bilan de la réaction de décomposition de l eau oxygénée. En additionnant membre à membre les deux demi équations on obtient : 2 H O H 2 O 3 ) Citer les avantages sur l environnement du blanchiment à l eau oxygénée. Les produits de la décomposition de l eau oxygénée sont l eau et le dioxygène. Le blanchiment à l eau oxygénée réduit donc la consommation d eau et la pollution des eaux de rejet. 4 ) L étiquette d une eau oxygénée vendue en pharmacie indique 10 volumes. Cela signifie que dans les conditions normales de température et de pression, 1 litre de cette eau oxygénée libère 10 litres de dioxygène lors de sa décomposition. Calculer le nombre de moles de dioxygène contenu dans 10 L de dioxygène N = V / Vm soit n O2 = 10 / 24 = 0,42 mol 5 ) L équation bilan de la décomposition du peroxyde d hydrogène est la suivante : 2 H O H 2 O En déduire la concentration molaire C de cette eau oxygénée. Données : Volume molaire : Vm = 24 L / mol L équation bilan nous indique que pour 2 moles de H 2 O 2 on obtient 1 mole de 0 2. Donc C = 2 x 0,42 = 0,84 mol/l 6

7 Exercice n 5 : Les chlorofibres et le PVC : 3,5 points Première partie Les chlorofibres sont des fibres textiles synthétiques réalisées à partir de polychlorure de vinyle ou PVC avec une base issue de produits naturels dilués (sel marin, charbon, pétrole). Elles sont utilisées pour la fabrication de vêtements ainsi que dans la lingerie. Le polychlorure de vinyle ou PVC est obtenu par polymérisation à partir du monochlorure de vinyle selon la réaction suivante : 1 ) Indiquer, en justifiant votre réponse, si cette réaction est une polyaddition ou une polycondensation. Il s agit d une polyaddition car il n y a pas d élimination de molécules. 2 ) Le monochlorure de vinyle est obtenu par addition du chlorure d hydrogène HCl sur l éthyne C 2 H 2. a) A quelle famille d hydrocarbures appartient l éthyne? 0,25 point L éthyne est un alcyne b) Donner la formule générale de cette famille d hydrocarbures. 0,25 point C n H 2n-2 c) Reproduire et compléter la réaction d addition suivante : C 2 H 2 + HCl. C 2 H 2 + HCl C 2 H 3 Cl 3 ) Calculer la masse molaire du monochlorure de vinyle. M(C 2 H 3 Cl ) = 2 x 12g + 3 x 1g + 35,5 = 62,5 g/mol 4 ) Les PVC ont des masses molaires moyennes comprises entre et g/mol. Calculer le degré de polymérisation n d un polychlorure de vinyle de masse molaire égale à g/mol. Données : M(C) = 12 g/mol ; M(H) = 1 g/mol ; M(Cl) = 35,5 g/mol n= / 62,5 = 960 Deuxième partie : 1 ) En utilisant le diagramme sur l annexe 2, indiquer le test permettant de mettre en évidence la présence de chlorofibre dans un textile. Justifier votre réponse. L annexe 2 indique que le test de Belstein permet d identifier le PVC et par conséquent les chlorofibres dont elles sont issues. 2 ) Décrire en quelques lignes en quoi consiste le test de Belstein. Test de Belstein : chauffer au rouge un fil de cuivre à l extrémité duquel on place ensuite un petit prélèvement de la matière plastique à identifier. Placer à nouveau le fil de cuivre sur la flamme. Si celle-ci prend une couleur d un vert vif très caractéristique de la combustion du chlore alors nous sommes en présence de PVC. 7

8 1) Les ions pris en compte dans le calcul de la dureté des eaux sont : Les ions calcium : Ca 2+ Les ions magnésium : Mg 2+ 2) Conversion de mg en g via : 1g = 1000 mg comme 1m = 1000 mm et donc 1mg = 0,001g Il suffit de diviser par 1000 les mg pour trouver des grammes. Nogent sur Marne Vincennes mg/l g/l mg/l g/l Calcium 96,2 0, ,076 Magnésium 10,6 0,0106 3,2 0,0032* *lorsque le nombre est inférieur à 10 il faut 2 zéros après la virgule. 3) Pour convertir des concentrations massiques en concentrations molaires il faut diviser la massique par la masse molaire de l atome soit 40 pour Ca et 24 pour Mg. Attention prendre toutes les masses en gramme. Nogent sur Marne Vincennes g/l mol/l g/l mol/l Calcium 0,0962 0, ,076 0,0019 Magnésium 0,0106 0, ,0032* 0, Arrondir à 10-4 mol/l c est décaler la virgule de 4 rangs vers la droite Nogent sur Marne Vincennes mol/l 10-4 mol/l mol/l 10-4 mol/l Calcium 0, ,05 0, Magnésium 0, ,417 0, ,33 4) Pour obtenir le degré hydrotimétrique il faut ajouter les 2 concentrations exprimées en 10-4 mol/l Nogent sur Marne Vincennes 10-4 mol/l f 10-4 mol/l f Calcium + Magnésium 28,47 28,47 20,33 20,33 5) C est la commune de Nogent qui a une eau dure 6) Les inconvénients d une eau trop dure pour le lavage sont : Elle nécessite plus de lessive Elle rend le linge rêche moins souple et difficile à repasser Elle entartre les machines à laver ce qui accroît la consommation d énergie pour chauffer l eau 8

9 Savoir compter les atomes dans une formule semi développée! 1) Pour calculer la masse molaire moléculaire d une molécule il faut en déterminer la formule brute. Celle de l acide éthanoïque est C 2 H 4 O 2. Puis à l aide des masses molaires atomiques, qui sont toujours données, il faut multiplier chacune par le nombre d atomes correspondants : 2x12g + 4x1g + 2x16g = 60 g/mol (ne pas oublier l unité) 2) D après la classification électrochimique nous constatons que le pouvoir oxydant de l ion H + libéré par l acide acétique est supérieur à celui du fer : le couple oxydant réducteur H + / H 2 est au dessus du couple Fe 2+ / Fe 3) Oxydation du métal fer : le couple Fe 2+ / Fe est pris à l envers car celui qui est au dessous, donc : Fe Fe e - le fer a perdu 2 électrons, il a été oxydé Réduction des ions H+ : 2H e - H 2 H + a gagné un électron, il a été réduit 4) L équation bilan est : Fe + 2H + H 2 + Fe Il faut doubler la seconde équation pour l équilibrer (H 2 ) et pour avoir le même nombre d électrons que dans la première. Additionner les 2 demi équations en supprimant les éléments identiques dans les 2 membres de l équation chimiques, notamment les électrons! 5) L acide est l oxydant car les ions H + gagnent des électrons Le fer métal est le réducteur car il perd des électrons Extrait d une classification électrochimique : 9

10 Savoir différencier les 2 types de polymères obtenus selon 2 modes de production : la polycondensation et la polyaddition. 1) Cette réaction est une polyaddition car aucune molécule n est produite à chaque ajout d un motif 2) La formule brute de l acétate de vinyle est : C 4 H 6 O 2 Masse molaire = 4 x 12g + 6 x 1g + 2 x 16g = 86 g/mol 3) Le degré de polymérisation est n = / 86 = ) Les fibres susceptibles d être identifiées sont les polyesters et les polyamides 2) Pour identifier la fibre il faut faire le test du ph, s il est positif alors la fibre est en polyamide Ce type d exercice est plus lié aux cours de spécialité : entretien des textiles. Pour la partie scientifique il s agit d un exercice de logique via une analyse documentaire. Peu de notions de chimie sont à mobiliser ; tous les élèves peuvent donc composer avec succès. 10