22èmes lympiades de la himie Année 2005-2006 Thème «himie et habitat» Académie de Lille Epreuve pratique Durée : 4 h alculatrice autorisée QUESTINNAIRE orrigé 22èmes lympiades de la chimie Lille Epreuve pratique Questionnaire corrigé - 1
A. Plastifiants Née il y a une cinquantaine d années, la plasturgie est une industrie jeune comparée aux industries pluriséculaires de la fonte, de l acier ou encore du verre. Actuellement le développement des matériaux plastiques est tel qu ils interviennent aussi bien dans notre habitat (brosse à dents, meubles, bouteilles, menuiseries ) que dans des secteurs de pointe. La production mondiale de matières plastiques est de 170 millions de tonnes par an. L intérêt de ces matériaux réside dans le contrôle de leurs propriétés mécaniques. Pour rendre les matériaux plus souples (améliorer leurs propriétés plastiques), on ajoute dans la matrice polymère des molécules appelées plastifiants qui s intercalent entre les chaînes de polymères et permettent à ces dernières de «glisser» les unes sur les autres. Les deux manipulations proposées concernent une famille particulière de plastifiants : les phtalates. A.1. Analyse des phtalates contenus dans un plastique. L anhydride phtalique a pour formule : Les phtalates ont pour formule générale : R où R est un groupement alkyle R 1. Donner la formule semi-développée du phtalate de diméthyle : H 3 H 3 2. Donner la formule semi-développée du phtalate de dibutyle : H 2 H 2 H 2 H 3 H 2 H 2 H 2 H 3 22èmes lympiades de la chimie Lille Epreuve pratique Questionnaire corrigé - 2
3. Quelle est la fonction chimique présente dans chacune de ces molécules? Entourer cette fonction sur l une des molécules. la fonction ester bien placée 4. Pourquoi réalise-t-on l extraction à reflux? chauffage pour augmenter la vitesse de l extraction. reflux pour ne pas perdre de solvant oller ici la plaque de M correspondant à l extraction en ayant soin de marquer la ligne de départ, le front du solvant, d entourer les taches et de porter toutes les légendes nécessaires : propreté de la réalisation (taches pas trop grosses) légendes 5. Analyse de la..m : quels sont les phtalates présents dans le plastique étudié? Réponse cohérente avec le chromatogramme (phtalate de dibutyle et phtalate de bis(2- éthylhexyle)) 22èmes lympiades de la chimie Lille Epreuve pratique Questionnaire corrigé - 3
A.2. Synthèse du phtalate de dibutyle. L anhydride phtalique réagit rapidement avec une seule molécule de butan-1-ol pour fournir une molécule qui est à la fois acide et ester. Lorsqu on prolonge le chauffage, la fonction acide réagit à son tour avec une molécule d alcool. n obtient alors le phtalate de dibutyle. ette réaction est plus lente et équilibrée. De ce fait cette deuxième réaction ne peut pas être totale si l on n élimine pas l eau produite par la réaction. Pour éliminer l eau, il est possible de distiller le butan-1-ol excédentaire qui a une température d ébullition supérieure à celle de l eau. Dans l erlenmeyer le distillat est desséché au contact du sulfate de magnésium anhydre. Le butan-1-ol récupéré et séché dans l erlenmeyer est alors réintroduit dans le ballon. En recommençant les opérations précédentes (chauffage et distillation) on termine la préparation du diester. 6. Ecrire l équation de la première estérification : H H structure acide-ester 7. Ecrire l équation de la deuxième estérification : H H H 2 présence d eau 8. alculer les quantités de matière des réactifs introduites dans le ballon : n(anhydride phtalique) = m/m = 3,4.10-2 mol n(butan-1-ol) = ρ.v / M = 0,27 mol 9. Quel est le réactif en excès? Justifier. n(butan-1-ol) /2 est très supérieur à n(anhydride phtalique) le butan-1-ol est en excès 22èmes lympiades de la chimie Lille Epreuve pratique Questionnaire corrigé - 4
10. Quelle est la quantité de matière maximale de phtalate de dibutyle qu on peut obtenir? Justifier. n(phtalate) max = n(anhydride phtalique) car l anhydride phtalique est le réactif limitant Résultats : masse m 1 = masse m 2 = masse de phtalate brut : m = oller ici la plaque de M correspondant à la synthèse en ayant soin de marquer la ligne de départ, le front du solvant, d entourer les taches et de porter toutes les légendes nécessaires : propreté de la réalisation (taches pas trop grosses) légendes des dépôts 11. Déterminer le rendement brut de la synthèse : rendement = n(phtalate) effectif / n(phtalate) max calcul correct 22èmes lympiades de la chimie Lille Epreuve pratique Questionnaire corrigé - 5
12. omparer les compositions du mélange réactionnel intermédiaire et du mélange réactionnel final. Justifier. onclure. mélange final : tache unique de phtalate de dibutyle (identifiée grâce au dépôt 4 de référence) mélange intermédiaire : tache supplémentaire = phtalate de butyle (acide-ester) onclusion : En réintroduisant le butan-1-ol et en enlevant l eau on a favorisé la transformation de l acideester en diester 13. Le catalyseur est il encore présent dans le brut? Expliquer. le catalyseur n est pas consommé dans la réaction il est donc présent dans le brut B. Titrage d une eau de Javel B.1. L eau de Javel L eau de Javel a été découverte par le chimiste français Berthollet à la fin du XVIII ème siècle et appelée à cette époque «lessive de Berthollet». L eau de Javel est utilisée à la maison comme dans l industrie pour ses propriétés décolorantes (blanchiment) et désinfectantes. e sont les ions hypochlorite l - qui sont responsables des propriétés de l eau de Javel. Il est donc important de connaître la concentration en ions hypochlorite d une eau de Javel en la dosant. L eau de Javel est préparée industriellement par dissolution du dichlore dans une solution de soude (hydroxyde de sodium). Dans cette réaction, le dichlore se transforme à la fois en ions chlorure et en ions hypochlorite. 14. Écrire l équation de la transformation du dichlore en ions chlorure l 2 2 e - = 2 l - 15. Quelle est la nature de cette réaction? Justifier! est une réduction elle consomme des électrons 16. Écrire l équation de la transformation du dichlore en ions hypochlorite en milieu basique l 2 4 H - = 2 l - 2 H 2 2 e - 17. Quelle est la nature de cette réaction? Justifier! est une oxydation elle libère des électrons 22èmes lympiades de la chimie Lille Epreuve pratique Questionnaire corrigé - 6
18. Ecrire le bilan de la réaction subie par le dichlore en milieu basique l 2 2H - = l - l - H 2 19. Dans cette réaction de préparation de l eau de Javel le dichlore subit une réaction particulière: comment l appelle-t-on? est une dismutation 20. omparer les concentrations des ions hypochlorite et chlorure dans l eau de Javel : Elles sont égales L eau de Javel contient deux espèces chorées (ions hypochlorite et chlorure). Pour faciliter le dosage il est préférable de transformer les ions hypochlorite en ions chlorure et de doser la totalité des ions chlorure. B.2. Réaction des ions hypochlorite avec les ions nitrite Les ions hypochlorite réagissent avec les ions nitrite N 2 pour donner des ions chlorure et des ions nitrate. 21. Écrire la demi-équation électronique de transformation des ions hypochlorite en ions chlorure en milieu légèrement acide ou neutre. l - 2H 2e - = l - H 2 N 2-22. Écrire la demi-équation électronique de transformation des ions nitrite en ions nitrate en milieu légèrement acide ou neutre. - H 2 = N 3 2H 2e - 23. En déduire l équation (1) de la réaction de l ion hypochlorite avec l ion nitrite, en milieu légèrement acide ou neutre. l - - - N 2 = N 3 l - B.3. Dosage des ions chlorure par les ions argent 24. Écrire l équation de la réaction de précipitation entre les ions argent et les ions chlorure : Ag l - = Agl (s) Noter ici le volume équivalent obtenu : V eq = 22èmes lympiades de la chimie Lille Epreuve pratique Questionnaire corrigé - 7
25. En déduire la concentration 1 en ions hypochlorite de la solution diluée d eau de Javel dosée : A l équivalence du dosage par l ion argent on a ( l ) = n( Ag ) = ( Ag ). V ( Ag ) n eq Les ions hypochlorite ont été réduits en autant d ions chlorure qui s ajoutent aux ions chlorure initialement présents. La quantité d ions hypochlorite ayant réagi est égale à la moitié de la quantité d ions chlorure dosés ( Ag ). V ( Ag ) eq Finalement ( l ) = 1 = 2. V1 AN : 26. alculer la concentration 0 en ions hypochlorite de la solution concentrée d eau de Javel. 0 = 100. 1 AN : Explicitons le rôle du chromate de potassium ajouté dans le bécher. Une solution de nitrate d argent ajoutée à une solution de chromate de potassium donne un précipité rouge de chromate d argent. En ajoutant ensuite une solution de chlorure de sodium on observe la disparition du précipité rouge et l apparition d un précipité blanc de chlorure d argent. 27. Justifier le rôle des ions chromate lors du dosage des ions chlorure par les ions argent. Tant qu il y a des ions chlorure il ne se forme pas de chromate d argent. Le chromate d argent ne peut précipiter que lorsque tous les ions chlorure ont réagi avec les ions argent. L apparition du précipité de chromate d argent permet donc de visualiser l équivalence du dosage des ions chlorure. Pour réaliser ce dosage il est nécessaire d ajouter un peu d hydrogénocarbonate de potassium qui maintient la solution à un ph sensiblement neutre. 28. Avec quelle verrerie doit-on prélever la solution d eau de Javel diluée S1 à doser? Justifier. Prélèvement avec la pipette jaugée de 20 ml est l espèce à doser, le prélèvement doit être précis 29. Avec quelle verrerie doit-on prélever la solution de nitrite de sodium? Justifier. Prélèvement avec une éprouvette graduée est un réactif en excès, le prélèvement n a pas à être précis Justification de l excès de nitrite par calcul de n(nitrite) introduite et comparaison avec n(hypochlorite) 22èmes lympiades de la chimie Lille Epreuve pratique Questionnaire corrigé - 8
B.4. omparaison avec les indications figurant sur le berlingot d eau de Javel concentrée Sur le berlingot on trouve l indication : 36 chl. Le degré chlorométrique ( chl) indique le volume de dichlore gazeux susceptible d être libéré par un litre de solution d eau de Javel (volume gazeux mesuré dans les NTP). 30. Ecrire l équation de la réaction subie par l eau de Javel lorsqu elle libère du dichlore gazeux : l - l - 2 H = l 2 H 2 31. Déterminer la quantité de matière de dichlore gazeux libérée par 1 litre d eau de Javel à 36 hl : 1 litre d eau de Javel à 36 hl libère un volume de dichlore gazeux v(l 2 ) = 36 L n(l 2 ) = v(l 2 ) / Vm = 1,6 mol 32. En déduire la concentration en ions hypochlorite de cette eau de Javel : (l-) = 1,6 mol/l 33. e résultat est-il en accord avec le résultat du dosage? ommentaire cohérent avec les valeurs obtenues Données : Volume molaire des gaz dans les NTP (conditions normales de température et de pression) : Vm = 22,4 L/mol Fin du sujet 22èmes lympiades de la chimie Lille Epreuve pratique Questionnaire corrigé - 9