DST n 3 de Physique chimie

DST n 3 de Physique chimie DST n 3 Page 1

DST n 3 Exercice n 1 Exercice n 2 Exercice n 3... Total = Données pour l exercice n 3 : - M(H) = 1,0 g.mol -1 - M(O) = 16,0 g.mol -1 - M(C) = 12,0 g.mol -1 - M(Ca) = 40,0 g.mol -1 - Volume molaire d un gaz à 10 C: Vm = 23,3 L.mol -1 - Masse volumique de l eau : = 1000 g.l -1 DST n 3 Page 2

Exercice n 1 : L apprenti chimiste - 20 Points - Un apprenti chimiste a réalisé la réaction mettant en jeu le diiode I 2 (aq) et les ions thiosulfate S 2 O 3 2- (aq). Les produits obtenus sont les ions iodure I - (aq) et les ions tétrathionate S 4 O 6 2- (aq). Le diiode est la seule espèce colorée. La réaction étudiée a pour équation : I 2 (aq) + 2 S 2 O 3 2- (aq) 2 I - (aq) + S 4 O 6 2- (aq) Seulement, alors qu il s apprêtait à analyser les résultats concernant l évolution de cette réaction, ce chimiste s est rendu compte qu il avait perdu la concentration Cs de la solution de diiode (notée S). Il compte sur vous pour l aider à la retrouver I) Recherche de la concentration de la solution S de diiode - 7.25 points - Document 1 : A = f(λ) Document 2 : Loi de Beer-Lambert A=e l C λ(nm) Document 3 : Courbe d étalonnage A = absorbance, sans unité, l = épaisseur en m de la solution traversée, C = concentration molaire en mol.l -1, ε = coefficient d extinction molaire qui dépend de la longueur d onde λ et de la nature du soluté, en L.mol -1.m -1 Document 4 : Liste du matériel à disposition 1 spectrophotomètre 4 fioles de 10 ml 5 cuves pour spectrophotomètre 2 burettes graduées Pipettes pasteur Solution mère en diiode de concentration Cm = 0,01 mol.l -1 Solution S correspondant à la solution S diluée dix fois. As = 0,68 Eau distillée Vous devez expliquer à ce chimiste étourdi comment vous feriez expérimentalement pour déterminer la concentration en diiode de la solution S en justifiant la méthode utilisée. Pour cela vous allez répondre aux questions suivantes : 1/ Décrire comment choisir la longueur d onde avec laquelle sera faite votre expérience. 1.5 pts DST n 3 Page 3

2/ Comment après avoir choisi votre longueur d onde allez vous réaliser la courbe d étalonnage? 4.25 pts 3/ Décrire comment enfin déterminez la concentration I 2 de la solution S. 1.5 pts II) Evolution du système chimique étudié -12.75 points- L expérimentateur apprenti vous décrit ensuite la réaction chimique qu il a réalisée : «Dans un bécher, j ai versé un volume V 1 de 5 ml de la solution de diiode dont on vient de déterminer la concentration. Puis j ai ajouté un volume V 2 de 60 ml de la solution contenant les ions thiosulfate dont la concentration C 2 = 1,0 10-2 mol.l -1. La solution obtenue est incolore.» Aidez-le à comprendre ce qui s est passé dans le bécher en répondant à ces questions. a. Déterminer les quantités de matière initiales des réactifs. 2 pts DST n 3 Page 4

b. Complétez le tableau d avancement de la réaction. 4 pts Equation chimique Etat Avancement Quantité de matière en mol Initial x = 0 Intermédiaire Final x x = x max c. Déterminer le réactif limitant et l avancement maximal noté x max. 2.5 pts d. Déterminer les quantités de matière finales des produits et réactif restant. 2.25 pts e. Expliquer pourquoi la solution est incolore. Qu est-ce que l expérimentateur doit modifier dans son mode opératoire pour obtenir une solution colorée? 2 pts Exercice n 2 : Isomérisation Z et E et réaction photochimique - 10 points - Le resvératrol est une molécule organique présente dans le raisin. Voici sa formule: 1. La formule ci-dessus est une formule brute, développée, semi-développée? Justifier en donnant la définition de celle que vous avez choisie. (1.5 pts) DST n 3 Page 5

La transformation du ( E ) resvératrol s effectue en (Z ) resvératrol s effectue dans les conditions suivantes : 2. Comme nomme-t-on le processus qui transforme le ( E ) resvératrol en ( Z ) resvératrol? (1 pt) 3. Donner la définition des isomères. (1 pt) 4. Quelle est la double liaison responsable de cette isomérie? Entourer la sur votre sujet et justifier votre réponse. (1.5 pts) 5. Donner la formule de Lewis du ( E ) resvératrol. (1 pt) 6. Comment pourriez- vous prouver le rôle d un rayonnement dans cette réaction? Rédigez un protocole de manipulation. (2 pts) La transformation a lieu dans un solvant spécifique le méthanol : CH 3 OH 7. Donner la représentation de Lewis du méthanol. (1 pt) 8. Quel atome possède des doublets non liants? Quel est le rôle de ces doublets? Justifier votre réponse. (1 pt) Exercice n 3: Eclairage en spéléologie - 20 points - Pour explorer une cavité souterraine, un spéléologue utilise une lampe à acétylène. La source lumineuse est la flamme de combustion de l acétylène. L acétylène C 2 H 2 (g) est un gaz qui est directement préparé dans la lampe par action de l eau H 2 O (l) sur le carbure de calcium solide CaC 2 (s). Cette réaction chimique produit également de l hydroxyde de calcium solide Ca(OH) 2 (s). DST n 3 Page 6

Pour une heure de fonctionnement, cette lampe consomme 10,0 litres d acétylène. Le spéléologue descend dans une grotte dont la température ambiante est de 10 C. Il emmène dans son sac à dos une masse de 110 g de carbure de calcium et 95,0 ml d eau liquide pour la préparation de l acétylène. 1. Écrire l équation chimique de la réaction de formation de l acétylène en ajustant les nombres stoechiométriques. (1 pt) 2. Que respectons-nous quand nous ajustons une équation chimique? (1 pt) 3. Déterminer la quantité initiale notée n 1 de carbure de calcium : (1.5 pts) 4. Déterminer la quantité initiale notée n 2 d eau : (2 pts) 5. Remplir le tableau d évolution complet de la réaction : (4 pts) Equation chimique Etat Avancement Quantité de matière en mol initial x = 0 intermédiaire final x x = x max 6. Déterminer le réactif limitant, en déduire l avancement maximal : (2.5 pts) DST n 3 Page 7

7. Déterminer les quantités de matières finales des produits et des réactifs. (1 pt) 8. Déterminer le volume d acétylène formé : (1 pt) 9. Déterminer la masse d hydroxyde de calcium formé : (1.5 pts) 10. Pendant combien de temps le spéléologue pourra-t-il s éclairer? (1 pt) 11. Afin d alléger son sac à dos, quel volume d eau minimal le spéléologue aurait-il pu emmener pour un même temps de fonctionnement de la lampe? (2.5 pts) 12. La source lumineuse étant la flamme de combustion de l acétylène, et sachant qu une réaction de combustion libère du dioxyde de carbone gazeux et de l eau, écrire l équation chimique de combustion de l acétylène dans l air. (1 pt) DST n 3 Page 8

Correction DST n 3 Exercice n 1 : L apprenti chimiste - 20 Points - Un apprenti chimiste a réalisé la réaction mettant en jeu le diiode I 2 (aq) et les ions thiosulfate S 2 O 3 2- (aq). Les produits obtenus sont les ions iodure I - (aq) et les ions tétrathionate S 4 O 6 2- (aq). Le diiode est la seule espèce colorée. La réaction étudiée a pour équation : I 2 (aq) + 2 S 2 O 3 2- (aq) 2 I - (aq) + S 4 O 6 2- (aq) Seulement, alors qu il s apprêtait à analyser les résultats concernant l évolution de cette réaction, ce chimiste s est rendu compte qu il avait perdu la concentration Cs de la solution de diiode (notée S). Il compte sur vous pour l aider à la retrouver I) Recherche de la concentration de la solution S de diiode 7.25 pts Document 1 : A = f(λ) Document 2 : Loi de Beer-Lambert A=e l C λ(nm) Document 3 : Courbe d étalonnage A = absorbance, sans unité, l = épaisseur en m de la solution traversée, C = concentration molaire en mol.l -1, ε = coefficient d extinction molaire qui dépend de la longueur d onde λ et de la nature du soluté, en L.mol -1.m -1 Document 4 : Liste du matériel à disposition 1 spectrophotomètre 4 fioles de 10 ml 5 cuves pour spectrophotomètre 2 burettes graduées Pipettes pasteur Solution mère en diiode de concentration Cm = 0,01 mol.l -1 Solution S correspondant à la solution S diluée dix fois. As = 0,68 Eau distillée Vous devez expliquer à ce chimiste étourdi comment vous feriez expérimentalement pour déterminer la concentration en diiode de la solution S en justifiant la méthode utilisée. Pour cela vous allez répondre aux questions suivantes : 1/ Décrire comment choisir la longueur d onde avec laquelle sera faite votre expérience. 1.5 pts Sur le document 1 nous observons une courbe obtenue en liant l absorbance d une solution à la longueur d onde. La valeur qui nous intéresse est la longueur d onde notée λ max obtenue pour un maximum d absorbance. Ici, on trouve λ max = 475 nm. (1 pt) DST n 3 Page 9

Le spectrophotomètre réalisera les analyses des différentes solutions à cette longueur d onde précisément. (0,5 pt) 2/ Comment après avoir choisi votre longueur d onde allez vous procéder pour réaliser la courbe d étalonnage? 4.25 pts En étudiant les documents 3 et 4, il est possible de retrouver les conditions de réalisation des solutions filles. Nous observons qu il y a 4 solutions filles à préparer (0,25 pt), chacune dans une fiole de 10 ml. Donc V f = 10 ml (0,5 pt). D après la courbe, nous pouvons retrouver la concentration en I 2 de chacune des solutions filles. Les résultats sont regroupés dans le tableau suivant (0.5 pt). Nous imposons pour chacun des cas le volume de la solution mère (V m ) à prélever (0,5 pt). Fiole 1 2 3 4 V m (ml) 2 4 6 8 V e (ml) 8 6 4 2 C f (Mol/L) 2 10-3 4 10-3 6 10-3 8 10-3 A 0,26 0,54 0,82 1,08 A noter : V e + V m = V f (V e = volume en eau distillée) Pour déterminer la concentration de la solution mère en diiode, il faut effectuer le calcul suivant : n f = n m C f V f = C m V m d où, C m = C m = 1 10-2 mol/l (1 pt) Il est maintenant possible de réaliser la gamme étalon. Dans une burette graduée, nous versons la solution mère et nous versons dans chacune des fioles le volume V m souhaité. Puis, on ajoute le volume Ve d eau distillée tout d abord grossièrement avec la burette puis beaucoup plus délicatement avec une pipette pasteur afin d atteindre le trait de jauge de la fiole. Après avoir essuyé le col de la fiole, on la bouche et on homogénéise la solution. (0.5 pt) Les 4 fioles sont prêtes. Nous allons verser le contenu de chaque fiole dans une cuve à spectrophotomètre. Nous préparons aussi une cuve témoin ne contenant que de l eau distillée et une cuve contenant la solution de concentration S en diiode. (0.5 pt) Dans le spectrophotomètre, on place d abord la cuve témoin, puis on introduit les cuves par ordre croissant de concentration en I 2. Enfin, on met la cuve contenant la solution S. Les résultats obtenus sont répertoriés dans le tableau ci-dessus. Pour la solution S, on obtient une absorbance A S = 0,68. (0,5 pt) 3/ Décrire comment enfin comment déterminez la concentration I 2 de la solution S. 1.5 pts Grâce à la courbe étalon, il est possible de déterminer la concentration en I 2 de la solution S : C s = 5 10-3 mol/l (0,5 pt) Or la solution S a été diluée 10 fois pour obtenir la solution S. Il faut donc multiplier Cs par ce coefficient de dilution pour obtenir la concentration en I 2 de la solution S. Cs = 10 Cs d où, Cs = 5 10-2 mol/l (1 pt) II) Evolution du système chimique étudié 12.75 pts L expérimentateur apprenti vous décrit ensuite la réaction chimique qu il a réalisée : «Dans un bécher, j ai versé un volume V 1 de 5 ml de la solution de diiode dont on vient de déterminer la concentration. Puis j ai ajouté un volume V 2 de 60 ml de la solution contenant les ions thiosulfate dont la concentration C 2 = 1,0 10-2 mol.l -1. La solution obtenue est incolore.» Aidez-le à comprendre ce qui s est passé dans le bécher en répondant à ces questions. DST n 3 Page 10

a. Déterminer les quantités de matière initiales des réactifs. 2 pts n 1 = C s V 1 0.5 n 1 = 5 10-2 x 5 x 10-3 d où, n 1 = 2,5 10-4 mol 0.25 + 0.25 n 2 = C 2 V 2 0.5 n 2 = 1,0 10-2 x 60 x 10-3 d où, n 2 = 6 10-4 mol 0.25 + 0.25 b. Complétez le tableau d avancement de la réaction. 4 pts Equation chimique I 2 (aq) + 2 S 2 O 2-3 (aq) 2 I - (aq) + S 4 O 2-6 (aq) Etat Avancement Quantité de matière en mol initial 0 2,5 10-4 6 10-4 0 0 intermédiaire x 2,5 10-4 - x 6 10-4 2x 2x x final xmax 2,5 10-4 - xmax 6 10-4 2xmax 2xmax xmax c. Déterminer le réactif limitant et l avancement maximal noté x max. 2.5 pts Si I 2 est le réactif limitant, alors 2,5 10-4 xmax = 0 et xmax = 2,5 10-4 mol 1 Si S 2 O 3 2- est le réactif limitant, alors 6 10-4 2xmax = 0 et xmax = 3 10-4 mol 1 I 2 est le réactif limitant car 2,5 10-4 mol < 3 10-4 mol 0.5 d. Déterminer les quantités de matière finales des produits et réactif restant. 2.25 pts A l état final, on obtient : n (S 2 O 3 2- ) = 6 10-4 2xmax 0.25 n (S 2 O 3 2- ) = 6 10-4 2x 2,5 10-4 mol = 1,0 10-4 mol 0.25 + 0.25 n (I - ) = 2xmax 0.25 n (I - ) = 2x 2,5 10-4 mol = 5,0 10-4 mol 0.25 + 0.25 n S 4 O 6 2- = xmax = 2,5 10-4 mol 0.25 + 0.25 + 0.25 e. Expliquer pourquoi la solution est incolore. Qu est-ce que l expérimentateur doit modifier dans son mode opératoire pour obtenir une solution colorée? 2 pts La solution est incolore car n il a plus de diiode qui est la seule espèce présente lors de cette réaction. Pour obtenir une solution colorée, il faut que I 2 soit mis en excès. Par exemple, en conservant les conditions opératoires décrites, il aurait fallu augmenter seulement le volume de la solution contenant du I 2. A partir de V 1 > 6 ml, la solution est colorée. Exercice n 2 : Isomérisation Z et E et réaction photochimique -10 points - Le resvératrol est une molécule organique présente dans le raisin. Voici sa formule: 1. La formule ci-dessus est une formule brute, développée, semi-développée? Justifier en donnant la définition de celle que vous avez choisie. (1.5 pts) C est une formule semi-développée, (0,5 pt) les liaisons entre les atomes de Carbone et Hydrogène n apparaissent pas, (0,5 pt) le nombre d atomes d Hydrogène est alors précisé en indice à droite du symbole H. 2. Comme nomme-t-on le processus qui transforme le ( E ) resvératrol en ( z ) resvératrol? (1 pt) C est un processus photochimique (0,25 pt) qui nécessite donc de la lumière. Dans le cas cidessus, il y a absorption de photons de longueur d onde = 350 nm (0,25 pt) DST n 3 Page 11

3. Donner la définition d un isomère. (1 pt) Des molécules isomères ont la même formule brute mais pas la même formule développée. 4. Quelle est la double liaison responsable de cette isomérie? Recopier la sur votre copie et justifier votre réponse. (1.5 pts) La liaison double responsable de cette isomérie est celle qui réunit les deux cycles car elle est de type AHC=CHB. Chaque atome de carbone est lié à deux groupes différents. 5. Donner la formule de Lewis du ( E ) resvératrol. (1 pt) 6. Comment pourriez- vous prouver le rôle d un rayonnement dans cette réaction? Rédigez un protocole de manipulation. (2 pts). Prendre deux tubes à essai, broyer les raisins, répartir dans chacun des tubes la même quantité de raisin et de méthanol. On recouvre un tube de papier d aluminium ou autre afin de le mettre à l abri de la lumière, mettre le second tube sous une lampe ultraviolette de longueur d onde 350 nm puis soumettre le second tube à essai. Puis on observe. 7. Donner la représentation de Lewis du méthanol. (1 pt) 8. Quel atome possède des doublets non liants? Quel est le rôle de ces doublets? Justifier votre réponse. (1 pt) L atome d oxygène possède des doublets non liants, ils assurent la stabilité en suivant la règle de l octet. Exercice n 3: Eclairage en spéléologie - 20 points - Pour explorer une cavité souterraine, un spéléologue utilise une lampe à acétylène. La source lumineuse est la flamme de combustion de l acétylène. L acétylène C 2 H 2 (g) est un gaz qui est directement préparé dans la lampe par action de l eau H 2 O (l) sur le carbure de calcium solide CaC 2 (s). Cette réaction chimique produit également de l hydroxyde de calcium solide Ca(OH) 2 (s). Pour une heure de fonctionnement, cette lampe consomme 10,0 litres d acétylène. Le spéléologue descend dans une grotte dont la température ambiante est de 10 C. Il emmène dans son sac à dos une masse de 110 g de carbure de calcium et 95,0 ml d eau liquide pour la préparation de l acétylène. 1. Écrire l équation chimique de la réaction de formation de l acétylène en ajustant les nombres stoechiométriques. CaC 2 (s) + 2 H 2 O (l) C 2 H 2 (g) + Ca(OH) 2 (s) 2. Que respectons-nous quand nous ajustons une équation chimique? Lorsque nous ajustons une équation chimique nous respectons la conservation de l élément chimique ainsi que la conservation de la charge DST n 3 Page 12

3. Déterminer la quantité initiale notée n 1 de carbure de calcium : Soit n 1 la quantité initiale de carbure de calcium, m 1 = (m CaC2 ) la masse initiale de carbure de calcium et M 1 = (M CaC2 ) la masse molaire moléculaire de carbure de calcium. Calcul de M 1 (M CaC2 ) M 1 = (M CaC2 ) = M Ca + 2 M C M 1 = (M CaC2 ) = 40,0 + 2 x 12,0 M 1 = (M CaC2 ) = 64,0 g.mol -1 Or n 1 = m 1 / M 1 n 1 = 110 /64,0 n 1 = 1,72 mol 4. Déterminer la quantité initiale notée n 2 d eau : Soit n 2 la quantité initiale d eau, m 2 = (m H2O ) la masse initiale d eau et M 2 = (M H2O ) la masse molaire moléculaire d eau Calcul de M 2 = (M H2O ) Or n 2 = m 2 / M 2 M 2 = (M H2O ) = M O + 2 M H M 2 = (M H2O ) = 16,0 + 2 x 1,0 M 2 = (M H2O ) = 18,0 g.mol -1 Et m 2 = H2O x V H2O Soit n 2 = H2O x V H2O / M 2 n 2 = 1000 x 95 x 10-3 /18,0 n 2 = 5,28 mol 5. Établir le tableau d évolution complet de la réaction : Equation chimique CaC 2 (s) + 2 H 2 O (l) C 2 H 2 (g) + Ca(OH) 2 (s) (n 1 ) (n 2 ) (n 3 ) (n 4 ) Etats Avancement Quantités de matière en mol Initial x = 0 1,72 5,28 0 0 Intermédiaire x 1,72 - x 5,28 2x x x Final x = x max 1,72- x max = 0 5,28 2x max = 5,28 2x1,72 = 1,84 x max = 1,72 6. Déterminer le réactif limitant, en déduire l avancement maximal : Calcul du réactif limitant: Si CaC 2 (s) est le réactif limitant alors 1,72- x max = 0 x max = 1,72 mol x max = 1,72 Si H 2 O (l) est le réactif limitant alors 5,28 2x max = 0 x max = 5,28 /2 x max = 2,64 mol Le réactif limitant est donc le carbure de calcium solide CaC 2 (s) l avancement maximal x max est de 1,72 mol Voir le tableau d évolution complet de la réaction question 5 7. Déterminer les quantités de matières finales des produits et des réactifs. Voir le tableau d évolution complet de la réaction question 5 8. Déterminer le volume d acétylène formé : DST n 3 Page 13

D après le tableau d évolution complet de la réaction on a n 3 = n(c 2 H 2 (g) ) = 1,72 mol d acétylène C 2 H 2 (g) qui se forme. Soit V 3 = V(C 2 H 2 (g) ) le volume d acétylène formé. Or n 3 = V 3 / Vm D où V 3 = V(C 2 H 2 (g) ) = n 3 x Vm V 3 = V(C 2 H 2 (g) ) = 1,72 x 23,3 V 3 = V(C 2 H 2 (g) ) = 40,1 L 9. Déterminer la masse d hydroxyde de calcium formé : Soit n 4 la quantité d hydroxyde de calcium formé, m 4 = (m Ca(OH) 2 ) la masse d hydroxyde de calcium formé et M 4 = (M Ca(OH) 2 ) la masse molaire moléculaire d hydroxyde de calcium. D après le tableau d évolution complet de la réaction on a n 4 = n Ca(OH) 2 (s) = 1,72 mol d hydroxyde de calcium formé Calcul de M 4 = (M Ca(OH) 2 (s) ) M 4 = (M Ca(OH) 2 (s) ) = M Ca + 2 M O + 2 M H M 4 = (M Ca(OH) 2 (s) ) = 40,0 + 2 x 16,0 + 2 x 1,0 M 4 = (M Ca(OH) 2 (s) ) = 74,0 g.mol -1 Or n 4 = m 4 / M 4 d ou m 4 = n 4 x M 4 m 4 = 1,72 x 74,0 m 4 = 127 g 10. Pendant combien de temps le spéléologue pourra-t-il s éclairer? Sachant que cette lampe consomme 10,0 L de C 2 H 2 par heure, elle pourra fonctionner 4 heures (car 40,0 L de C 2 H 2 ) 11. Afin d alléger son sac à dos, quel volume d eau minimal le spéléologue aurait-il pu emmener pour un même temps de fonctionnement de la lampe? Le volume d eau minimal V 2 que le spéléologue aurait pu emmener pour un même temps de fonctionnement de la lampe est tel que l on se retrouve dans des conditions stœchiométriques. Or d après le tableau d avancement il faudrait une quantité d eau n 2 = (n H2O ) min soit 2 fois plus importante que la quantité initiale n 1 = (n CaC2 ) de CaC 2 Soit n 2 = 2 x n 1 n 2 = 2 x 1,72 n 2 = 3,44 mol On en déduit donc le volume d eau minimal V 2 en utilisant les relations suivantes : H2O = m 2 / V 2 et n 2 = m 2 / M 2 Soit V 2 = m 2 / H2O = (n 2 x M 2 ) / H2O D où V 2 = (3,44 x 18,0) / 1000 V 2 = 61,9 x 10-3 L = 61,9 ml 12. La source lumineuse étant la flamme de combustion de l acétylène, et sachant qu une réaction de combustion libère du dioxyde de carbone gazeux et de l eau, écrire l équation chimique de combustion de l acétylène dans l air. 2 C 2 H 2 (g) + 5 O 2 (g) 4 CO 2 (g) + 2 H 2 O (g) DST n 3 Page 14