Concours Blanc Epreuve de Chimie MPSI et PCSI-PSI

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1 Session 2017 Concours Blanc Epreuve de Chimie MPSI et PCSIPSI Durée : 2h La calculatrice est AUTORISEE. Si au cours de l épreuve, un candidat repère ce qui lui semble être une erreur d énoncé, il est invité à le signaler sur sa copie et à poursuivre sa composition en expliquant les raisons des initiatives qu il aura été amené à prendre. Données pour l exercice 1 : Produit ionique de l eau à 25 C : Ke = Potentiels standard à 25 C : Couples Br 2(aq)/Br (aq) BrO 3 (aq)/br 2(aq) E (V) 1,09 V 1,51 V Données pour l exercice 2 : Masses molaires atomiques : M(H) = 1,0 g.mol 1 M(Cl) = 35,5 g.mol 1 Masse volumique de l eau à 298 K : ρ = 1 g.cm 3 1

2 Exercice 1 : Autour du dibrome A température ambiante, le dibrome de formule Br 2 est un liquide orangé très volatil dégageant des vapeurs toxiques de même couleur. On s intéresse, dans une première souspartie, aux caractéristiques de la molécule de dibrome. Puis, nous nous intéresserons aux caractéristiques thermodynamique et cinétique d une réaction permettant sa synthèse au laboratoire. Les deux sousparties décrites précédemment sont totalement indépendantes. I. Le dibrome et ses caractéristiques 1. Citer et énoncer les règles permettant d établir la configuration électronique d un atome dans son état fondamental. 2. Donner la position du brome dans la classification périodique. A quelle famille appartientil? Citer les autres éléments de cette famille. 3. En utilisant les règles précédemment citées, donner la configuration électronique de l atome de brome. Puis souligner ses souscouches de valence. 4. Donner la structure de Lewis du dibrome. On donne ciaprès le spectre d absorption du dibrome. 5.a. Quel appareil a permis son obtention? 5.b. Justifier la couleur orange du dibrome. On pourra s aider du cercle chromatique en annexe 1. Spectre d absorption du dibrome II. Synthèse du dibrome Le dibrome peut être synthétisé en laboratoire en faisant réagir du bromate de sodium (Na+, BrO 3 ) et du bromure de sodium (Na +, Br ). L équationbilan de la réaction est la suivante : BrO 3 (aq) + 5 Br (aq) + 6 H 3O + (aq) 3 Br 2(aq) + 9 H 2O (l) II. 1. Structures de Lewis des molécules impliquées 1.a. Calculer le nombre d oxydation du brome dans BrO 3, Br et Br 2. Comment s appelle ce type de réaction d oxydoréduction? 1.b. Donner la structure de Lewis de l ion H 3O + et de l ion BrO 3. Les atomes centraux sont respectivement l oxygène et le brome. 1.c. En utilisant la théorie VSEPR, indiquer quelle est la géométrie de ces ions. Représenter l ion H 3O + en représentation de Cram. 1.d. L ion FO 3 peutil exister? Justifier. II. 2. Etude thermodynamique On effectue la synthèse du dibrome en mélangeant des volumes identiques d une solution de bromate de sodium (Na + ; BrO 3 ) de concentration 2, mol.l 1 et d une solution de bromure de sodium (Na + ; Br ) de concentration 1, mol.l 1. Une coloration orangée apparaît après un certain temps. 2

3 2.a. Que valent les concentrations initiales, après mélange, en ions bromate BrO 3 et en ions bromure Br? 2.b. Cette réaction est réalisée dans des conditions où on constate que 90% des ions bromate ont réagi une fois l équilibre atteint. Déterminer la concentration en espèces bromées à l équilibre. 2.c. L ion BrO 3 a des propriétés basiques et réagit avec l eau selon : BrO 3 (aq) + H 2O (l) = HBrO 3(aq) + HO (aq) Sachant que la constante d équilibre de cette réaction vaut K = 10 6,5, déterminer la concentration en acide conjugué HBrO 3 en solution en partant d une concentration initiale en ions bromate : [BrO 3 ] 0 = 1, mol.l 1. On caractérise le couple acidobasique HBrO 3/BrO 3 par une constante d acidité correspondant à la constante d équilibre de la réaction entre l acide HBrO 3 et l eau conduisant à sa base conjuguée et à l ion oxonium H 3O +. 2.d. Ecrire l équationbilan de cette réaction et exprimer littéralement la constante d équilibre associée. 2.e. Déterminer la valeur de cette constante d équilibre. Comment la nommeton? II.3. Etude cinétique L étude cinétique de la réaction permettant la synthèse du dibrome montre que la réaction admet un ordre visàvis de chacun des réactifs. On se propose de déterminer les ordres partiels de réaction ainsi que la constante de vitesse. On notera respectivement a, b et c les ordres partiels respectifs des espèces BrO 3, Br et H 3O + et k la constante de vitesse de la réacion. On considérera que les ordres restent inchangés tout au long de la réaction. 3.a. Exprimer la vitesse de la réaction en fonction des concentrations des espèces considérées, des ordres partiels et de la constante de vitesse. Une première expérience est réalisée à 0 C à partir des concentrations initiales suivantes : [BrO 3 ] 0 = 1, mol.l 1 ; [Br ] 0 = 1, mol.l 1 ; [H 3O + ] 0 = 1, mol.l 1. L évolution de la concentration en ions BrO 3 (que l on notera C par commodité) en fonction du temps est représentée sur la figure de l annexe 2. 3.c. Commenter les concentrations choisies pour réaliser cette expérience. Quelle approximation peuton effectuer? 3.d. A quel ordre partiel peuton accéder à partir de cette expérience? Justifier par l écriture d une expression simplifiée de la vitesse. 3.e. Définir et déterminer le temps de demiréaction relatif aux ions bromate. 3.f. Rappeler la définition reliant la concentration en ions bromate et le temps dans le cas où la réaction est d ordre 1 par rapport aux ions bromate. Même question si la réaction est d ordre 2 par rapport aux ions bromate. 3.g. En vous servant des graphes fournis en annexe 3, en déduire l ordre partiel de la réaction par rapport aux ions bromate. Justifier. Plusieurs autres expériences ont été réalisées à 0 C pour une même concentration initiale en ions bromate [BrO 3 ] 0 = 1, mol.l 1 et pour des concentrations variables en ions bromure Br et oxonium H 3O +. Dans chaque expérience, la vitesse initiale a été déterminée. Les résultats sont rassemblés dans le tableau suivant : Expérience [Br ] 0 [H 3O + ] 0 Vitesse initiale (mol.l 1.s 1 ) N 1 0,10 0,10 4, N 2 0,15 0,10 6, N 3 0,10 0,20 16, h. Déterminer l ordre partiel par rapport aux ions bromure Br et l ordre partiel par rapport aux ions H 3O +. 3.i. Calculer la constante de vitesse k de la réaction. Préciser clairement son unité. 3

4 Problème 2 : Dosage d une solution commerciale d acide chlorhydrique L acide chlorhydrique est une solution aqueuse obtenue par dissolution de chlorure d hydrogène HCl(g) dans l eau. L acide chlorhydrique est une solution acide utilisée comme décapant et comme détartrant notamment pour les surfaces émaillées recouvertes de calcaire. Sur une bouteille d acide commercial figure l indication suivante : solution à P = 23 % en chlorure d hydrogène minimum. Cette indication signifie que 100 g de solution commerciale ont été obtenus par dissolution d au moins 23 g de chlorure d hydrogène. P est donc un pourcentage massique en HCl(g) dissous dans la solution commerciale. On souhaite vérifier la teneur exacte en chlorure d hydrogène dissous de cette solution commerciale. La densité de la solution commerciale est d = 1,15. I. Détermination de la composition de la solution commerciale à partir de la donnée de l étiquette 1. Déterminer la masse minimale de chlorure d hydrogène dissous dans 1L de solution commerciale. Le chlorure d hydrogène n existe pas dans l eau car, lors de sa dissolution, il se comporte comme un acide fort et réagit totalement avec l eau pour former cette solution aqueuse, appelée acide chlorhydrique. 2. Ecrire la réaction chimique mise en jeu entre le chlorure d hydrogène et l eau. 3. Indiquer l espèce chimique acide présence dans l acide chlorhydrique. 4. En déduire la concentration minimale des espèces chimiques contenues dans cette solution commerciale d acide chlorhydrique. II. Dosage de la solution commerciale par suivi colorimétrique La solution commerciale est diluée 500 fois. La concentration molaire de la solution S 0 ainsi préparée est appelée C 0. Cette solution S 0 est ensuite dosée par colorimétrie. Pour cela, un volume V 0 = 10,0 ml de cette solution est prélevé et dosé par une solution d hydroxyde de sodium (Na + (aq) + HO (aq)) étalon fraîchement préparée de concentration molaire C b = 1, mol.l 1. Le changement de couleur de l indicateur coloré est obtenu pour un volume versé V beq = 16,2 ml. (Deux dosages cohérents ont été effectués). 5. Ecrire l équation de la réaction de dosage et calculer sa constante d équilibre à 298 K. Justifier le fait que cette réaction puisse être utilisée comme réaction de dosage. 6. Déterminer la concentration molaire C 0 en ions hydronium H 3O + dans la solution S En déduire la concentration molaire C com de la solution commerciale en tenant compte du facteur de dilution. 8. Déterminer la masse de chlorure d hydrogène dissous dans 1L de la solution commerciale dosée. 9. En déduire le pourcentage massique de chlorure d hydrogène dissous dans la solution commerciale dosée. L information sur l étiquette étaitelle correcte? 4

5 Annexe 1 : Cercle chromatique Annexe 2 : évolution de la concentration en ions BrO3 en mmol.l 1 en fonction du temps 5

6 Annexe 3 : 6