PARTIE A : L EAU- UN PRODUIT ORIGINAL ET INDISPENSABLE (Olympiades 2012)

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1 PARTIE A : L EAU- UN PRODUIT ORIGINAL ET INDISPENSABLE (Olympiades 202) Cette partie comporte quatre exercices, ils peuvent être traités de manière indépendante. Exercice N : L eau pour extraire : des procédés anciens.. Comparaison des matériels 24 +2,5 bonus Compléter le tableau : N o Nom de l élément de la figure 2 Nom de l appareil du XVII ème Potence 2 Pince 3 Ballon Cucurbite de cuivre 4 Chauffe-ballon Fourneau 5 Support-élévateur 6 Allonge courte Tête de Maure ou de More (?) 7 Thermomètre 8 Réfrigérant Tuyau de cuivre dans tonneau d eau 9 Erlenmeyer Récipient de verre..2. liquide -> gaz vaporisation et gaz > liquide liquéfaction...3. Entrée de l eau : B...4. L utilité de la pièce de verrerie n o 8 de la figure 2 : refroidissement de la vapeur pour qu elle se liquéfie. 2- par x.2. Des «eaux simples» distillées pour l embellissement du visage.2.. L eau permet d avoir une température d entraînement des huiles essentielles à 00 C. A une température plus élevée, les huiles seraient détériorées et les feuilles carboniseraient Les eaux obtenues à la fin de l hydrodistillation sont en fait constituées de deux phases, l une organique, l autre aqueuse Les principes actifs issus des plantes se trouvent dans la phase organique Pour séparer ces deux phases, il faudra utiliser une ampoule à décanter Une espèce organique (apolaire) possède plus d affinité avec une autre espèce organique (apolaire) que l eau (polaire). L utilisation d un solvant apolaire permettra l extraction des principes actifs restant dans la phase aqueuse. Exercice N 2 : L eau : relations structure - propriétés 2. o 2.. Structure de la molécule 2... Formule de Lewis de la molécule d eau H2O : H O H L eau possède une structure géométrique coudée. L angle HOH vaut environ 05. (supérieur à 90 mais inférieur à 09 : angle dans le tétraèdre) 2.2. Une interaction particulière entre molécules d eau + 9,5 DevCom3 Page /3

2 Courbe d ébullition Courbe Courbe de de fusion fusion Figure Il s agit des liaisons hydrogène Compatibilité avec l évolution des températures de changement d état : les températures de changement d état sont des fonctions croissantes de la masse molaire. Cependant, les températures de fusion et d ébullition de l eau sont anormalement élevées, une interaction assez forte existe entre les molécules d eau et n existe pas entre les autres molécules H2X (ou du moins avec une intensité plus faible) Nombre maximal de liaisons : 4 Géométrie de l édifice formé autour d une molécule d eau dans la glace : la molécule d eau est au centre d un tétraèdre. : liaison hydrogène Structure de Lewis : 3* DevCom3 Page 2/3

3 Etablissement de la formule de Lewis de NH3. Z(N) = 7 structure électronique : (K) 2 (L) 5. Nombre d électrons sur la couche externe : 5. Il manque 3 électrons pour atteindre l octet -> 3 doublets liants sur N. Il reste 2 électrons : doublet non liant. Z(H) = structure électronique : (K). Nombre d électrons sur la couche externe :. Il manque électron pour atteindre le duet -> doublet liant sur N. Il reste 0 électron : 0 doublet non liant NH3, HF L eau solvant : influence de la polarité dans la solubilisation Électronégativité : aptitude d un atome à attirer les électrons (d un doublet liant qu il forme avec un autre atome). 0,5 - par x Les électronégativités (dans l échelle de Pauling) de quelques atomes sont données ciaprès : Élément H C N O F P S Électronégativité 2,2 2,6 3,0 3,4 4,0 2,2 2,6 La liaison O H est polarisée δ δ + Si oui, polarisation : O H La somme des moments dipolaires associés aux liaisons O H est non nulle. Remarque : On peut aussi dire que la molécule d eau est polaire car le barycentre des charges négatives (sur l atome d oxygène) ne coïncide pas avec celui des charges positives (au milieu des 2 atomes d hydrogène) Classement du moins soluble au plus soluble dans l eau : CH 2 CH CH 3 CH 3 CH 2 Cl CH 3 COOH Formule brute d un alcane CnH2n L hexane est une molécule apolaire Les hydrocarbures sont responsables des marées noires car ils sont insolubles dans l eau et moins denses : ils forment une couche à la surface de l eau Composé Soluble Insoluble Éthanol Dodécan--ol Justification : le groupe O H est polaire et favorise la solubilité dans l eau. Le groupe alkyle est apolaire et limite la solubilité et ce d autant plus qu il est grand. DevCom3 Page 3/3

4 Exercice N 3 : Synthèses en microémulsions. 4, Solution de la chimie verte : synthétiser dans l eau Les réactions entre constituants organiques se font généralement dans des solvants organiques. Leur remplacement par l eau est préconisé dans le cadre d une chimie verte. 3.. Comparaison des toxicités de quelques solvants organiques. Le tableau ci-dessous regroupe les pictogrammes indicateurs des risques liés à l usage de quelques solvants organiques. Éthanol Propanone Cyclohexane Trichlorométhane inflammable danger pour la santé explosif toxicité aiguë nocif, irritant nocif pour l environnement,25 - par x 3..2 Avec l eau, nous sommes confrontés à des problèmes de miscibilité avec les espèces organique Présentation des colloïdes DevCom3 Page 4/3

5 4..3. Dispersion Phase dispersée Milieu de Exemples colloïdale dispersion Aérosol Solide ou liquide Gaz Brouillard Émulsion Liquide Liquide Mayonnaise Mousse Gaz Liquide Blanc en neige,25 - par x Un tensioactif présente une partie hydrophile et une partie hydrophobe. Sur la représentation topologique du dodécylsulfate de sodium (SDS) ci-dessous, entourer la partie hydrophile. dodécylsulfate de sodium (SDS) Stabilisation d une émulsion par un tensioactif : le tensioactif se place à l interface entre la phase aqueuse et la phase hydrophobe, ceci diminue la tension superficielle et facilite la formation des émulsions. Schéma : phase hydrophobe phase aqueuse Exercice N 4 : La dissolution des sels dans l eau La distance entre un ion chlorure et un ion sodium dans le cristal NaCl est : d = 282 x 0-2 m. On dissout un peu de chlorure de sodium (sel de cuisine) dans l eau. 4. Calculer la force d interaction électrique entre un ion Na + et un ion Cl - dans le cristal NaCl. 7 = k q q2 d 2 = k e e F e = k q q 2 d ² = k e e d ² = = 8, x 9 (,602.0 )² ( )² = 2, N 4.2 Sachant que u =, kg, convertir en kg les masse atomiques suivantes : m(na) = 22,9 u et m(cl) = 35,4 u m(na) = 22,9 x, = 38, kg m(cl) = 35,4 x, = 58, kg DevCom3 Page 5/3

6 4.3 A partir de la question 4.2, calculer la force d interaction gravitationnelle entre un ion Na + et un ion Cl -. F g = G m m 2 d 2 = G m(na) m(cl) = 6, x (22,9 x, x 35,4 x, ) ( )² d 2 =, N 4.4 Comment expliquer la cohésion du cristal? liaisons ioniques (forces électromagnétiques) 4.5 Expliquer en quelques phrases et avec des schémas ce qui s est produit. Il y a d'abord dissociation du cristal, puis hydratation (solvatation) des ions et enfin dispersion de ceux-ci dans la solution. Cf cours chapitre.,5 On dissout maintenant du chlorure de fer III FeCl3 (s) dans L d eau. La concentration molaire en FeCl3 apportée, notée C(FeCl3) vaut 0,2 mol.l Réaction de dissolution, il se crée les ions Fe 3+ (aq) et Cl - (aq). FeCl3(s) -> Fe 3+ (aq) + 3 Cl - (aq) 4.7 Calculer la concentration effective en ion chlorure [Cl - ]. Relation entre C(FeCl3) et [Cl - ] : 3* C(FeCl3) = [Cl - ] = 0,6 mol.l - PARTIE B : CINQUANTE NUANCES DE VIOLET,5 6 Cette partie comporte trois exercices, ils peuvent être traités de manière indépendante. Exercice N : De la molécule à la couleur indigo. Il y a des doubles liaisons conjuguées, donc la molécule d'indigo est colorée. 2.2 L interaction symbolisée par les pointillés correspond à une liaison hydrogène..3 Les deux interactions qui permettent la cohésion de l indigo à l état solide sont les liaisons hydrogènes et les interactions de Van der Waals. Elles appartiennent à la famille des interactions électromagnétique. Exercice N 2 : Synthèse de l indigo. 7,25 Jean Denim désire fabriquer de l'indigo pour teindre l un de ses jeans. Après quelques recherches sur Internet, il trouve un protocole lui permettant de réaliser cette opération. Il voit également qu'il est indiqué que le rendement de la réaction est de l'ordre de 75%. Aussi dans un deuxième temps, va-t-il en profiter pour vérifier cette indication. 2. Avancement de la réaction 2.. M(C7H5O3N) = 7x2,0 + 5x,0 + 3x6,0 +4,0 = 5,0 g.mol - M(C3H6O) = 3x2,0 + 6x,0 + 6,0 = 58,0 g.mol ni(c7h5o3n) = m(c7h5o3n) / M(C7H5O3N) =,00 / 5,0 = 6, mol. DevCom3 Page 6/3

7 ni(ho - ) = CS x VS = 2,0 x 5,0.0-3 =,0.0-2 mol ni(c3h6o) = m(c3h6o) / M(C3H6O) = ρ(c3h6o) x V / M(C3H6O) =,05 x 0,0 / 58,0=,8.0 - mol Tableau d avancement de la réaction ci-dessous : Equation de la réaction 2 C7H5O3N (s) + 2 C 3H 6O (l) + 2 HO - - (aq) C 6H 0O 2N 2 (s) + 2 C 2H 3O 2 (aq) + 4 H 2O(l) Avance Etat système ment Quantités de matière (mol) Initial x = 0 ni(c 7H 5O 3N) ni(c 3H 6O) ni(ho - ) Intermédiaire x ni(c 7H 5O 3N) ni(c 3H 6O) ni(ho - ) x 2x 4x 2x 2x 2x Final xmax ni(c 7H 5O 3N) ni(c 3H 6O) ni (HO - ) xmax 2xmax 4xmax 2 xmax 2 xmax 2 xmax 2..5 Si le 2-nitrobenzaldéhyde est le réactif limitant : ni(c7h5o3n) 2x = 0 x = ni(c7h5o3n) / 2 = 6, / 2 = 3,3.0-3 mol Si l acétone est le réactif limitant : ni(c 3H 6O) 2x = 0 x = ni(c 3H 6O) / 2 =,8.0 - / 2 = 9, mol Si l ion hydroxyde est le réactif limitant : ni(ho - ) 2x = 0 x = ni(ho - ) / 2 =,0.0-2 / 2 = 5,0.0-3 mol. On retient la plus petite valeur : x max = 3,3.0-3 mol. Le réactif limitant est le 2-nitrobenzaldéhyde Quantités de matière restantes de réactifs à l état final : Le 2-nitrobenzaldéhyde a totalement réagi. nf(c3h6o) = ni(c 3H 6O) 2 xmax =,8.0-2x3,3.0-3 =, mol nf(ho - ) = ni(ho - ) 2 xmax =, x3,3.0-3 = 3, mol Quantité de matière d indigo obtenue dans le cas d un rendement de 00 % : nf(c6h0o2n2) = xmax = 3,3.0-3 mol Masse correspondante : mf(c6h0o2n2) = nf(c 6H 0O 2N 2) x M(C 6H 0O 2N 2) = 3,3.0-3 x 262,0 = 0,868 g. 2.2 Calcul du rendement 2.2. On choisit la longueur d onde 650 nm Valeur pour laquelle l absorbance est la plus grande Non. Elle correspond à sa couleur complémentaire Il faut un volume Vm = 50 * 2,4 / 2 = 0 ml C est une droite linéaire La loi mise en évidence est la loi de Beer-Lambert Cm = 6,525 mg / L Sm a été dilué au centième donc sa concentration massique vaut 652,5 mg / L Comme la fiole fait L la masse est donc de 652,5 mg R = 652,5 * 00 / 868 = 75,7% ce qui correspond à la valeur indiquée dans le sujet. DevCom3 Page 7/3

8 Exercice N 3 : Les ultraviolets pour détecter les faux billets. 6,75 3. Diagrammes énergétiques 3.. L état E0 correspond à l état fondamental Les autres états s appellent les états excités E=E0 -E3 =-5,46 ev=- 8,74 x 0-9 J E = hc λ λ = hc E = 2, = 227 nm 400 nm 800 nm 3..6 La radiation apparaît au domaine des ultraviolets Tracer la transition sur le diagramme présenté en ANNEXE 3. Ci-dessous : λ (nm) 3.2 Production de lumière ultraviolette. Le rayonnement ultraviolet se décompose en plusieurs parties les UV A, les UV B et les UV C. λ (nm) La lumière ultraviolette peut être produite par une source incandescente dont la température de surface est de 9378 C ou 965 K. Dans ce cas, la longueur d'onde maximale λmax émise par la lampe est donnée par la relation de Wien : λmax x T = 2, m. K avec λ en m et T en kelvin de symbole K Une source incandescente est un solide porté à haute température émettant de la lumière λ max = 2, T = 2, = 300 nm La longueur d onde appartient au domaine des UVB Le billet n a pas la même température que ce solide lorsqu il est éclairé sinon il brûlerait. Il s agit de la même lumière mais pas du même phénomène. Le solide rayonne d après la théorie des corps noirs. Concernant le billet, il s agit d une émission de photons par désexcitation des atomes.

9 3.3 Molécules sensibles aux UV : Un élève réalise les spectres des composés A, B et C suivants : Composé A Composé B Composé C 3.3. La formule semi-dev. est formule brute C9H7N Plus une molécule possède de systèmes conjugués plus la lumière absorbée s enrichit en radiation rouge. Ainsi le composé A possède moins de système conjugué que le composé B et moins que le composé C. C est pour cela que la première absorbe dans l'uv, la seconde dans le rouge et le troisième dans le vert Le composé A correspond au spectre 2 ; le composé B, au spectre 3 et le composé C au spectre L isomère E est représenté ci-dessous : DevCom3 Page 9/3