OLYMPIADES NATIONALES DE LA CHIMIE 2011 THEME : CHIMIE ET EAU ACADEMIE D AMIENS QUELQUES EAUX POTABLES OU NON POTABLES

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1 OLYMPIADES NATIONALES DE LA CHIMIE 2011 THEME : CHIMIE ET EAU ACADEMIE D AMIENS THEORIE REGION DE PICARDIE NOTE NOM PRENOM LYCEE Que signifie l adjectif potable? Peutêtre bu sans danger QUELQUES EAUX POTABLES OU NON POTABLES A) L EAU DISTILLEE (potable) Pour réaliser vos expériences en TP, vous utilisez de l eau distillée : pourquoi? Absence de molécule ou ion pouvant interférer dans les réactions Pourquoi vos enseignants et vos techniciens vous conseillent de ne pas gaspiller l eau distillée? Sa production demande beaucoup d énergie (distillation) et aussi de temps Théoriquement, à part des molécules d eau, quelles espèces chimiques peutelle contenir et par quelle équation? H 3 O + et HO 2 H 2 O = H 3 O + + HO Autoprotolyse Comment s appelle cette réaction? 7,0 Quel est le ph théorique de cette eau à 25 c? Elle est en contact avec l air qui contient : N 2 ; O 2 ; Ar et CO 2. Quels sont leurs % respectifs? N 2 : 78% O 2 : 21% Ar : 0,9% CO 2 : 0,035% CO 2 Parmi ces gaz, lequel a des propriétés acidobasiques?

2 Ecrire les couples acidobasiques correspondants : CO H 2 O = HCO 3 + H 3 O + HCO 3 + H 2 O = CO H 3 O + Quelle en est la conséquence sur le ph expérimental de l eau distillée? ph acide < 7,0 environ 5,5 B) L EAU DU ROBINET (potable car contrôlée) Elle est plus ou moins dure. Que signifie cette dureté? Présence d ions Ca 2+ et Mg 2+ ; dureté proportionnelle à leur concentration Une méthode de dosage de la dureté utilise comme titrant l EDTA. Que signifie ce terme? Ethylène Diammine TétrAcétique Elle nécessite une solution tampon. Que contient une solution tampon? Un mélange acide/base conjugué selon Brönsted Quelles sont les propriétés d une solution tampon? Son ph ne varie pas à la dilution Son ph varie peu lors de l addition modérée d acide fort ou de base forte Le tampon est ammonium/ammoniaque (pk A = 9,2). Ecrire l équilibre. NH H 2 O = NH 3 + H 3 O + Son ph est de 10,0. Quel est le constituant majoritaire? ph = pk A + log [NH 3 ]/[NH + 4 ] = 10 le log >0 donc NH 3 majoritaire Oxydant L eau du robinet ne doit pas contenir plus de 50 mg de nitrate par litre. Quelle est la propriété principale du nitrate? L hémoglobine du sang contient du fer II. Quelle peutêtre l action du nitrate sur le fer II? Oxydation du Fe 2+ en Fe 3+ C) L EAU PERMUTEE (potable) L eau du robinet contient toujours des hydrogénocarbonate HCO 3 en équilibre avec l ion carbonate et le dioxyde de carbone. Ecrire cet équilibre. 2 2 HCO 3 = CO 3 + CO 2 + H 2 O Quelles sont les propriétés acidobasiques respectives de ces trois espèces chimiques? CO 2 : diacide faible CO 3 2 : dibase faible HCO 3 : ampholyte (acide et base) Cet équilibre est responsable de la formation de concrétions (précipités) dans certaines grottes. Comment s appellentelles? Quel élément y est associé? Stalactites et stalagmites en CaCO 3 l élément calcium

3 Le même phénomène a lieu dans les parties chaudes des appareils électroménagers utilisant l eau du robinet trop dure. Pour l éviter, des résines échangeuses d ions (adoucisseur) rechargées en chlorure de sodium échangent l élément peu soluble contre un plus soluble. Ecrire cet échange. R = résine NaRNa + Ca 2+ = RCa + 2 Na + D) L EAU DE VIE (potable avec modération) Au départ, c est un jus de fruit contenant des sucres (glucose, fructose ). Soit le glucose C 6 H 12 O 6. Quelle est sa masse molaire? En g mol 1 C : 12 H : 1 O : 16 6 x 12 = x 1 = 12 6 x 16 = = 180 g Le glucose est produit par photosynthèse. Expliquer ce terme. Nécessite l énergie de photons Les réactifs sont l eau et le dioxyde de carbone. Ecrire l équation de la réaction. Quel est l autre produit formé? 6 CO H 2 O = C 6 H 12 O O 2 (g) du dioxygène gaz Comment s appelle la réaction inverse? La combustion (ou l oxydation) La fermentation du glucose produit de l alcool éthylique ainsi qu un gaz éteignant une flamme. Ecrire l équation bilan. C 6 H 12 O 6 = 2 CH 3 CH 2 OH + 2 CO 2 (g) Le jus fermenté contenant l alcool éthylique doit être conservé à l abri de l air. Il peut s oxyder en aldéhyde puis en acide carboxylique. Quels sont les formules de ces deux composés et quels sont leur groupe fonctionnel? CH 3 CHO et CH 3 COOH CHO et COOH Le jus fermenté est distillé. Proposer un schéma de cette distillation.

4 E) L EAU DE CHAUX (non potable) Elle est à base de CaCO 3 calciné à 700 c. Ecrire l équation de la réaction produisant de la chaux vive et du dioxyde de carbone. CaCO 3 (s) = CaO (s) + CO 2 (g) Cette chaux vive est mise en présence d eau pour former de la chaux éteinte (dihydroxyde de calcium) ; peu soluble dans l eau. Ecrire l équation de la réaction. CaO (s) + H 2 0 = Ca(OH) 2 (s ou aq) On obtient l eau de chaux en éliminant l excès de solide par filtration. Quelles sont ses propriétés acidobasiques? Ca(OH) 2 = Ca HO très basique Cette eau détecte le CO 2. Ecrire l équation de la réaction et décrire le phénomène observé. CO 2 diacide réagit sur 2 HO : Ca HO + CO 2 = CaCO 3 (s) + H 2 O On observe un précipité blanc de CaCO 3 (s) F) L EAU DE JAVEL (non potable : danger) Elle est produite par l électrolyse d une solution concentrée de chlorure de sodium. Définir les termes anode et cathode et y associer les pôles + ou. Anode = oxydation pôle + Cathode = réduction pôle Ecrire l équation de la réaction au pôle +. Quel est le produit formé? 2 Cl = Cl 2 (g ou aq) + 2 e Quelles sont les deux réactions possibles au pôle? (sont présents H 2 O et Na + ). Quels sont les produits réellement formés? Na + + e = Na (s) impossible en milieu aqueux 2 H 2 O + 2 e = H 2 (g) + 2 HO On constate un dégagement de dihydrogène gaz et un milieu très basique L eau de javel résulte de la dismutation du dichlore en milieu HO. Qu estce qu une dismutation? Une espèce chimique qui à la fois s oxyde et se réduit Ecrire l équation de la réaction (il se forme les ions chlorure et hypochlorites en milieu HO ). Cl HO = Cl + ClO + H 2 O Cette réaction est réversible en milieu acide. Quel est son danger? Dégage du dichlore gaz très dangereux Quelles sont les propriétés principales de l eau de javel? Très oxydantes ; désinfectantes et décolorantes

5 G) L EAU OXYGENEE (non potable : danger) Quelle est sa formule? H 2 O 2 Quels sont ses autres noms (nomenclature ou autre)? Dioxyde de dihydrogène ou peroxyde d hydrogène Elle est instable. Quels sont les produits de sa décomposition? Ecrire l équation bilan. Eau et dioxygène H 2 O 2 = H 2 O +1/2 O 2 Une eau oxygénée à 110 volumes peut dégager 110 litres de dioxygène gaz par litre de solution. Quelle est sa concentration en mol L 1? (On prendra 22 litres pour volume molaire d un gaz). 110 L = 5 mol de gaz donc 10 mol L 1 en H 2 O 2 La décomposition peut être catalysée. Qu estce qu un catalyseur et ses propriétés? Un catalyseur participe à la réaction ; l accélère et se régénère à la fin. Il est inutile dans l équation bilan et ne change pas une constante d équilibre L eau oxygénée décompose l acide tartrique COOHCHOHCHOHCOOH. Quels groupes reconnaissezvous dans la formule et quel est son nom selon la nomenclature? Alcool et acide carboxylique Acide 2,3hydroxybutanedioïque (2,3 diol accepté) Possèdetil des carbones asymétriques et lesquels? Oui les 2 centraux (4 substituants différents) H) L EAU DE MER (potable par nécessité si perdu en mer mais pendant un temps très court.il est préférable d attendre la pluie!) Elle est très salée. Sa concentration en chlorure estelle obligatoirement égale à celle du sodium? Pourquoi? Non : l eau de mer a solubilisé différents chlorures et sels de sodium en quantités variables. De plus, HCl gaz se dégage dans le fond des océans. [Cl ] légèrement supérieure à [Na + ] Un célèbre dosage des chlorures dit : méthode de MOHR fait intervenir deux précipités : un blanc d AgCl et l autre rouge de Ag 2 CrO 4. Sauriezvous le décrire? Quelques gouttes de K 2 CrO 4 (aq) sont ajoutées à la solution de chlorure. Le titrage se fait par le nitrate d argent. Les Ag + précipitent d abord les chlorures (AgCl (s) blanc). Quand il n y a plus de chlorure, les Ag + supplémentaires précipitent Ag 2 CrO 4(s) rouge qui visualise le volume équivalent MERCI DE VOTRE PARTICIPATION ET QUE LE MEILLEUR GAGNE