Concours blanc - Partie Chimie Autour de l élément chlore

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1 Concours blanc - Partie Chimie Autour de l élément chlore Mardi 3 mai - 2h Si au cours de l épreuve, un candidat repère ce qui lui semble être une erreur d énoncé, il le signale sur sa copie et poursuit sa composition en indiquant les raisons des initiatives qu il est amené à prendre. Néanmoins, le candidat prendra soin de tourner 7 fois son stylo dans sa bouche et de vérifier que l erreur ne vient pas de lui. LES CALCULATRICES SONT INTERDITES. Un soin particulier sera accordé à la rédaction : toutes les réponses devront être justifiées. Toute réponse non justifiée ne donnera pas droit à l attribution des points. Il pourra être utile pour certaines questions, même si ce n est pas demandé explicitement, de faire un schéma de principe du dispositif étudié pouvant servir de support à la réflexion. Les expressions littérales seront encadrées, et les applications numériques soulignées. Les diverses parties du sujet sont indépendantes. Aide numérique : θ 104, 5 52, 3 sin(θ) 0, 97 0, 79 cos(θ) 0, 25 0, 61 tan(θ) 3, 87 1, 29 x en mmol.l ln(x) -6,9-6,2-5,8-5,5-5,3-5,1-5,0-4,8-4,7-4,6-4,5 ln( a ) 0 0,1 0,2 0,3 0,45 0,6 0,8 1,0 1,3 1,7 2,4 + a x 1 x L.mol a x L.mol Données et constantes fondamentales : Charge élémentaire e = 1, C Constante des gaz parfaits R = 8, 314 J.K 1.mol 1 Debye 1 D = 3, C.m Le chlore a pour numéro atomique Z(Cl) = 17 Masse atomique molaire de H M(H) = 1, 0 g.mol 1 Masse atomique molaire de Cl M(Cl) = 35, 5 g.mol 1

2 1 Propriétés physiques du chlore 1.1 Que représente le numéro atomique d un élément chimique? 1.2 Qu est ce qu un nucléon? 1.3 Rappeler la définition de deux isotopes d un même élément. 1.4 Le chlore a une masse atomique molaire moyenne d environ 35, 5 g.mol 1. Il est essentiellement composé des isotopes 35 et 37. La masse molaire d un nucléon est prise à 1 g.mol 1. Déterminer la proportion molaire de chaque isotope. 1.5 Énoncer les règles quantiques usuelles pour établir une configuration électronique d un atome dans son état fondamental. 1.6 Quelle est la configuration électronique du chlore dans son état fondamental? Dans quelle colonne de la classification périodique se situe le chlore? Comment se nomment les éléments de cette colonne? Citer les autres membres de cette famille chimique. 1.7 Attribuer aux quatre premiers atomes d halogène leurs électronégativités (échelle de Pauling) : 3,0 ; 4,0 ; 2,5 ; 2,8. Justifier votre réponse. 1.8 Les énergies de première ionisation E i1 (en kj.mol 1 ) des éléments de la période du chlore sont les suivantes : Atome Na Mg Al Si P S Cl Ar E i Définir l énergie de première ionisation pour un atome. Justifier l évolution générale de ces valeurs et discuter les anomalies apparentes. 2 Dissolution du chlorure d hydrogène 2.1 Faire les schémas des structures de Lewis les plus probables des molécules de dichlore et de chlorure d hydrogène (HCl). 2.2 Définir un corps simple puis un corps composé. Les molécules précédentes sont-elles des corps simples? des corps composés? 2.3 La molécule de chlorure d hydrogène est polarisée. Sur quel atome se situe la charge partielle négative? Justifier. On donne l électronégativité de l hydrogène en échelle de Pauling χ P (H) = 2, Le moment dipolaire de cette molécule vaut 1, 08 D et la longueur de la liaison H Cl vaut 127 pm. Calculer le pourcentage de ionicité de cette liaison. 2.5 Donner la représentation de Lewis de la molécule d eau. 2.6 Déduire, à partir de la théorie V.S.E.P.R. (théorie de Gillespie), la géométrie de l arrangement des doublets électroniques dans la molécule d eau et la géométrie de cette dernière. 2.7 Justifier la valeur numérique de l angle α = 104, 5 entre les liaisons O H. 2.8 Le module du moment dipolaire permanent de la molécule d eau vaut 1, 85 D. Déterminer le moment dipolaire (sens et norme) des liaisons O H en Debye et en C.m. 2.9 Calculer le pourcentage d ionicité des liaisons O H. Conclure. 2/5 20 avril 2016

3 2.10 Le chlorure d hydrogène HCl (g) est très soluble dans l eau est entièrement dissocié en solution aqueuse. Expliquer pourquoi Écrire la réaction de dissolution. Quel nom donne-t-on à cette solution? 2.12 Sous la pression de 1 bar à 15 C, on peut dissoudre au maximum 500 L de chlorure d hydrogène (gaz supposé parfait) dans 1 L d eau. Cette dissolution se fait avec changement de volume du liquide. On obtient une solution S 0 dont la masse volumique est 1, 2 kg.l 1. Donner l expression de la concentration molaire volumique de la solution d acide obtenue en fonction des données du problème. L application numérique sera à faire à la maison. 3 Dissociation du chlorure d hydrogène en phase gazeuse Sous la pression P 0 = 1 bar maintenue constante, à la température T, à partir d un mélange de HCl (g) et de O 2(g), il se forme Cl 2(g) et H 2 O (g). 3.1 Écrire l équation bilan de la réaction avec 1 pour coefficient stœchiométrique de O 2(g). 3.2 Les réactifs sont pris en quantités stœchiométriques (1 mole de O 2(g) ). Quel est l avancement maximum ξ max? 3.3 Cette réaction n est pas totale. À l équilibre, seul 75% de HCl (g) a disparu. Déterminer l avancement ξ eq de la réaction à l équilibre. 3.4 Les gaz étant supposés parfaits, déterminer les pressions partielles de chacun des constituants à l équilibre. 4 Cinétique de la réaction d hydrolyse d un chlorure d alkyle Soit la réaction d hydrolyse, en solution aqueuse, d un chlorure d alkyle noté RCl RCl (aq) + H 2 O (l) = ROH (aq) + H + (aq) + Cl (aq) Un bécher contient V 0 = 250 ml d eau et un indicateur coloré jaune en milieu acide et bleu en milieu basique. Au dessus, se trouve une burette contenant une solution aqueuse d hydroxyde de sodium (ou soude (Na + (aq) HO (aq) ) ) concentrée. On considérera dans ce problème que le volume dans le bécher reste V 0. A l instant t = 0 min, on verse dans le bécher n = mol de soude et une quantité de RCl, qui amène sa concentration initiale dans le bécher à une valeur a telle que a = 1, mol.l 1. On notera x la concentration en ROH à l instant t. A l instant t 1, la couleur jaune apparaît. On note t 1 et on verse à nouveau n = mol de soude dans le bécher. La couleur jaune réapparaît à l instant noté t 2. On répète encore 3 fois l opération et on note t 3, t 4 et t Expliquer ces changements de couleur. 3/5 20 avril 2016

4 4.2 La cinétique de cette réaction étant d ordre 1 par rapport à RCl, exprimer la loi de vitesse, en déduire une équation différentielle en x, l intégrer et exprimer la concentration x en fonction de a, de t et de la constante de vitesse k. 4.3 Quelle fonction f(x) doit-on tracer pour différentes valeurs de t si l on veut obtenir une droite de pente +k? 4.4 Le tableau ci-dessous donne les différentes valeurs des t i. Reproduire et compléter ce tableau. t i en min t 0 = 0 min t 1 = 2, 5 min t 2 = 6 min t 3 = 10 min t 4 = 16, 5 min t 5 = 30 min x i f(x i ) 4.5 Placer les couples de points (f(x i ), t i ) sur un graphe (tracé sur la feuille). Leur alignement est-il satisfaisant? Déduire la valeur de la constante de vitesse k en précisant bien son unité. 4/5 20 avril 2016

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