BACCALAURÉAT TECHNOLOGIQUE -- SESSION 2003 SÉRIE SCIENCES ET TECHNOLOGIES DE LABORATOIRE SPÉCIALITÉ : CHIMIE DE LABORATOIRE ET DE PROCÉDÉS INDUSTRIELS Épreuve : PHYSIQUE CHIMIE CHIMIE Durée 3 h coefficient 4 Les questions 1. et 2. sont indépendantes. Données à 25 C Masse atomique (g.mol -1 ) Na = 23,0 F = 19,0 Constante d acidité HF/F : pka = 3,2 Produit ionique de l'eau pke = 14,0 AUTOUR DU FLUOR Le fluor (Z = 9) possède un seul isotope naturel de nombre de masse 19. 1. L atome de fluor. 1.1. Indiquer la structure du noyau du nucléide. 1.2. Donner la structure électronique de l atome de fluor. 1.3. En déduire sa place (période et colonne) dans la classification périodique des éléments à 18 colonnes. Préciser la famille à laquelle appartient cet élément. 2. Le fluorure d hydrogène et le fluorure de sodium. 2.1. Le fluorure d hydrogène gazeux se dissout dans l eau en toutes proportions. À 25 C, on considère une solution (A) d acide fluorhydrique à 1,00 10 1 mol.l -1. 2.1.1. Écrire l équation bilan de la réaction de l eau avec le fluorure d hydrogène. 2.1.2. Calculer le ph de la solution (A). Justifier les approximations faites. 2.2. On prépare une solution (B) en dissolvant 2,1 g de fluorure de sodium dans 250 ml d eau. Calculer la concentration molaire de cette solution. 2.3. On mélange 150 ml de la solution (A) avec 100 ml de la solution (B). 2.3.1. Comment appelle-t-on la solution (C) obtenue? 2.3.2. Quelles sont ses propriétés? 2.3.3. Calculer le ph de la solution (C). 1/5
OXYDO-RÉDUCTION ET COMPLEXATION Données à 25 C Produit ionique de l'eau : pke = 14,0 Sel de Mohr : FeSO 4, (NH 4 ) 2 SO 4, 6 H 2 O Alun ferrique : Fe 2 (SO 4 ) 3, K 2 SO 4, 4 H 2 O Potentiel standard : E (Fe 3+ / Fe 2+ ) = 0,77 V RT ln x 0,06 lg x F =, en V On se propose de déterminer la constante de dissociation (K d ) du complexe [FeF] 2+. Pour cela on réalise les deux demi-piles suivantes : Demi-pile n 1 : une lame de platine plongeant dans une solution aqueuse contenant des ions Fe 3+ et Fe 2+ à la même concentration, 1,0 10 2 mol.l -1 pour chacune de ces espèces. Demi-pile n 2 : une lame de platine plongeant dans 100 ml de solution aqueuse contenant 1,0 10 3 mol de sel de Mohr et 0,5 10 3 mol d alun ferrique à laquelle on ajoute 1,0 10 2 mol d ions fluorure, sans variation de volume. On suppose que seul l ion complexe FeF 2+ est formé. 1. Faire un schéma annoté de la pile constituée par les deux demi-piles. Le pôle positif correspond à l électrode n 1. 2. Étude de la demi-pile n 1 2.1. Donner l expression littérale du potentiel E 1 de la demi-pile n 1. 2.2. Calculer E 1. 3. Étude de la demi-pile n 2 3.1. Calculer les concentrations molaires en Fe 2+ et Fe 3+ avant l introduction des ions F. 3.2. Préciser le nom du complexe [FeF] 2+. 3.3. La force électromotrice de la pile ainsi constituée est 0,25 V. 3.3.1. Calculer le potentiel E 2 de la demi-pile n 2. 3.3.2. En déduire la concentration molaire en ions Fe 3+ non complexés de la solution de la demi-pile n 2. 3.3.3. Donner l expression littérale de la constante de dissociation K d du complexe [FeF] 2+. 3.3.4. Calculer K d. 2/5
ÉTUDE D'UN COMPOSÉ ORGANIQUE OXYGÉNÉ Données : Élément H C O Masse molaire atomique (g.mol -1 ) 1,0 12,0 16,0 1. On cherche à connaître la formule semi-développée d un composé organique A. On donne les informations suivantes : le chauffage de A en milieu sulfurique à 150 C donne majoritairement un composé B ; l'action de l'ozone sur B, suivie d'une hydrolyse en milieu réducteur, donne C et D ; C et D donne tous les deux un précipité jaune avec la 2,4-DNPH alors que seul C réduit la liqueur de Fehling ; D, par réaction avec le diiode en milieu basique, donne un précipité jaune. Préciser les fonctions organiques portées par les composés B, C et D grâce aux renseignements donnés ci-dessus. 2. L'analyse élémentaire de D, de masse molaire 72 g.mol -1, donne la composition en masse suivante : C : 66,7 % H : 11,1 % O : 22,2 % Déterminer la formule brute de D, ainsi que sa formule semi-développée et son nom. 3. La masse molaire de C est de 58 g.mol -1. Donner la formule semi-développée de C et son nom. 4. En déduire les formules développées possibles pour B. Donner les noms correspondants. 5. Sachant que A possède deux atomes de carbone asymétriques, déterminer sa formule semidéveloppée et son nom officiel. On donne la masse molaire de A : 116 g.mol -1. 3/5
SYNTHÈSE DE L'ACIDE ORTHOPHTALIQUE 1. Grâce à l'enchaînement de réactions suivant, on souhaite réaliser la synthèse de l'acide orthophtalique (composé K), dont la formule est : COOH 1. benzène + E catalyseur éthylbenzène + HCl COOH 2. éthylbenzène H 2 SO 4, HNO 3 F (isomère ortho) 3. F MnO 4 -, H + G (C 7 H 5 NO 4 ) 4. G 5. H Fe, H + diazotation I H 6. I CuCN J 7. J H 2 O, H + chauffage K 1.1. Écrire les formules semi-développées de E, F, G, H, I et J. 1.2. Nommer E, G et H. 2. Passage du benzène à l'éthylbenzène. 2.1. Préciser la nature de la réaction mise en jeu. 2.2. Indiquer un catalyseur possible pour cette réaction (nom et formule), ainsi que la nature de l'entité électrophile mise en jeu. 2.3. La synthèse industrielle de l'éthylbenzène se fait par action de l'éthylène (éthène) sur le benzène en milieu acide. Donner l'équation de la réaction dans ce cas. 3. Passage de l'éthylbenzène à F. 3.1. Indiquer les conditions opératoires de la réaction effectuée. 3.2. À côté de F, on obtient en quantité non négligeable un isomère F' de F. Donner la formule semi-développée de F'. 4/5
4. Passage de H à J. 4.1. Donner l'équation de la réaction 5. et préciser les conditions opératoires. 4.2. Indiquer le nom de la réaction 6. et préciser les conditions opératoires. 5. Passage de J à K. 5.1. Donner l'équation de la réaction mise en jeu. 5.2. Préciser si cette réaction est une hydrolyse ou une hydratation. Justifier. 5/5