Janvier 2016 1 ère S - DST DE PHYSIQUES - HIMIE Durée 3 heures L'usage de la calculatrice est autorisé Une annee est à rendre avec la copie PARTIE I : DSAGE DU UIVRE DANS UNE PIEE 12 points Document 1 : Pièces de monnaie Selon la réglementation européenne, les pièces de 10, 20 et 50 centimes doivent être réalisées dans un alliage de cuivre, d aluminium, de zinc et d étain dont la proportion massique en cuivre est de 89 %. (La proportion massique étant donnée par la relation m uivre m pi èce 100) Document 2 : Spectre d absorption Pour vérifier sa teneur en cuivre une pièce de 10 centimes de masse m = 4,14 g est placée dans un grand bécher. Sous la hotte, 30 ml d acide nitrique concentré sont ajoutés. La pièce est dissoute et la solution prend une teinte bleue-vert. Au cours de cette opération tout le cuivre présent dans l alliage est transformé en ions u 2+ (n i(u) = n f(u 2+ ) ). Leur présence est responsable de la couleur obtenue. n donne ci-contre le spectre d absorption d une solution d ions cuivre (II), le «blanc» a été fait avec de l eau distillée. Document 3 : Gamme d étalonnage Le contenu du bécher et les eau de rinçage sont placés dans une fiole jaugée de 1L que l on complète jusqu au trait de jauge pour obtenir la solution S. Une gamme d étalonnage est préparée à partir d une solution mère S 0 de sulfate de cuivre de concentration en ion cuivre 0 = 1,00 mol/l. L absorbance des solutions étalon est mesurée à la longueur d onde = 785 nm. Les résultats sont regroupés dans le tableau ci-dessous. oncentration (mmol/l) 10,0 20,0 40,0 50,0 70,0 80,0 100,0 A 785 0,116 0,224 0,441 0,536 0,749 0,861 1,06 L absorbance de la solution S est également mesurée dans les mêmes conditions et on trouve A S(785) = 0,620. Données : M u = 63,5 g/mol ercle chromatique
Questions : 1- Epliquer le protocole opératoire epérimental (matériel nécessaire, démarche) ayant permis de réaliser la gamme d étalonnage à partir de la solution mère (aucun calcul n est attendu). Il s agit du protocole d une dilution : /0,25 6 1. A partir d une solution mère de concentration connue 0 = 1 mol/l en sulfate de cuivre, on prépare par dilution une série de solutions filles dont les concentrations sont indiquées dans le tableau. 2. Lors d une dilution il y a conservation de la quantité de matière : n mère = n fille donc 0 V 0 = V 3. Le volume de solution mère à prélever à l aide d une pipette jaugée se détermine par la relation : V 0 = V/ 0 4. e volume est introduit dans une fiole jaugée de volume V (volume de la solution fille) 5. De l eau distillée est ajoutée jusqu au 2/3 et la solution est homogénéisée. 6. n complète ensuite jusqu au trait de jauge avec l eau distillée, on bouche puis on agite la solution. 2- a) Quelle est la couleur de la lumière absorbée par la solution d ions cuivre II? /0,5 Le spectre d absorption montre une longueur d onde maimale vers 790 nm soit dans le rouge. b) Justifier la couleur de la solution /0,5 2 La couleur perçue correspond à la complémentaire de la couleur absorbée : la complémentaire du rouge est le cyan. La solution de sulfate de cuivre est cyan. c) Pour quelle raison choisit-on de travailler à une longueur d onde de 785 nm? /0,5 La longueur d onde maimale est une grandeur caractéristique de l ion absorbant. En se plaçant à la ma on augmente la précision des mesures. 3- a) Tracer la droite d étalonnage (Annee à rendre avec la copie) n prendra comme échelle : ae des abscisses 1 cm pour 10 mmol/l b) La loi de Beer Lambert est-elle vérifiée? /1 ae des ordonnées 1 cm pour 0,1 d absorbance La loi de Beer Lambert est donnée par la relation : A = l c avec et l constantes. La relation montre que l absorbance et la concentration sont proportionnelles. r on observe une droite qui passe par l origine (fonction linéaire) qui modélise une situation de proportionnalité donc la loi est vérifiée. c) Sachant que la longueur de la cuve est l = 1 cm et que le coefficient d etinction molaire ε a pour valeur ε = 10,7 L mol -1 cm -1, calculer la concentration molaire en ions u 2+ dans la solution S. Vérifier le résultat graphiquement. n a : A = l c donc la concentration molaire en ions cuivre est : c = A / l /1 (AN) : c = 0,62 / 10,7 1 = 5,810-2 mol/l /0,5 Graphiquement on trouve : c = 57,5 mmol/l soit 5,8 10-2 mol/l /0,5 d) En déduire la concentration massique en ions u 2+ dans la solution S puis la masse de cuivre dans la pièce. La concentration massique en ions cuivre peut s obtenir par la relation : m = c M /0,5 (AN) m = 5,810-2 63,5 = 3,68 g/l /0,5 Ainsi m u2+ = m V /0,5 (AN) m u2+ = 3,68 1 = 3,68 g /0,5 D après l énoncé lors de la réaction : n i(u) = n f(u 2+ ) Donc m u = m u2+ = 3,68 g /0,5 e) L alliage dans lequel est fabriquée la pièce de monnaie respecte-t-il la composition fiée par le règlement européen. /1 La proportion massique dans la pièce est : P = 3,68/4,14 100 = 88,9 % soit 89 % la pièce est conforme
PARTIE I : A Evolution de l absorbance de solutions étalon de sulfate de cuivre en fonction de la concentration 1,4 1,3 1,2 1,1 1,0 0,9 0,8 0,7 0,6 A = 0,62 0,5 0,4 0,3 0,2 0,1 0 c = 57,5 mmol/l 10 20 30 40 50 60 70 80 90 100 110 120 c (mmol/l) /2 Titre Ae avec grandeurs et unités Echelle respectée sur les aes Report des points Droite + origine
PARTIE II : ARBRE DE DIANE 8 points Dans un tube à essais, on verse un volume V = 5,0 ml de solution de nitrate d argent de concentration molaire en ions argent = 0,20 mol/l. n immerge partiellement un fil de cuivre : la masse de la partie immergée est égale à m = 0,52 g. Le fil de cuivre se recouvre progressivement d un dépôt gris d argent métallique appelé arbre de Diane, et la solution bleuit. L équation de la réaction qui a lieu entre les ions argent e le métal cuivre s écrit : 2 Ag + (aq) + u (s) 2 Ag (s) + u 2+ (aq) Données : M u = 63,5 g/mol M Ag = 107,9 g/mol onstante d Avogadro : N A = 6,02210 23 mol -1 Questions : harge élémentaire : e = 1,610-19 Masse des particules élémentaires : m nucléons = 1,6710-27 kg m électron = 9,1110-31 kg 1- alculer les quantités de matière initiales de réactifs Les réactifs sont les ions argent et le cuivre métal : n iag+ = V (AN) n iag+ = 0,20 510-3 = 1 10-3 mol /0,5 + 0,5 n iu = m u M u (AN) n iu = 0,52 / 63,5 = 8,210-3 mol /0,5 + 0,5 2- Identifier le réactif limitant en s aidant éventuellement d un tableau d avancement /1,5 Sans tableau d avancement : Le réactif limitant peut se déterminer par le rapport des quantités de matières initiales et des coefficients stœchiométriques. n iag+ / 2 = 110-3 / 2 = 510-4 mol et n iu / 1 = 8,210-3 mol Le réactif limitant est le plus petit des deu rapports soit les ions argent. Avec tableau d avancement : Equation chimique de la réaction 2 Ag + (aq) + u (s) 2 Ag (s) + u 2+ (aq) Etat Avancement (mol) Quantités de matière (mol) Initial = 0 110-3 8,210-3 En cours 110-3 2 8,210-3 2 Final ma 110-3 2 ma 8,210-3 ma 2 ma ma L'avancement maimal de la réaction se calcule en considérant que la réaction s'arrête quand un des réactifs est épuisé c'est à dire quand n (Ag+)finale ou n (u)finale est nulle. Si le réactif limitant est Ag+ : 110-3 2 ma = 0 et ma = 110-3 / 2 = 510-4 mol Si le réactif limitant est u : 8,310-3 ma = 0 et ma = 8,210-3 mol Le réactif limitant est le plus petit donc les ions argent. 3- En déduire la valeur de l avancement maimal de la réaction : ma = 510-4 mol /0,5
4- Déterminer les quantités de matière des espèces chimiques présentes en fin de réaction /1 n f(ag+) = 0 mol n f(u) = 8,210-3 ma = 8,210-3 510-4 = 7,710-3 mol n f(ag) = 2 ma = 2 510-4 = 110-3 mol n f(u) = ma = 510-4 mol 5- alculer la masse d argent déposé sur la partie immergée du fil de cuivre en fin de réaction /1 n f(ag) = m Ag / M Ag donc m Ag = n f(ag) M Ag (AN) m Ag = 110-3 107,9 = 1,0810-1 g 6- Déterminer alors le nombre d atomes d argent déposés sur le fil. /0,75 n fag = N / N A donc N = n fag N A (AN) N = 110-3 6,0210 23 = 6,0210 20 atomes d argent 7- La masse de l atome de cuivre est m u = 1,0510-25 kg. La charge de son nuage électronique est q nuage = 4,6410-18. a) Déterminer la composition de cet atome /1 Le nuage électronique est constitué de l ensemble des électrons qui constituent cet atome. Un atome est électriquement neutre : Z indique le nombre de protons donc d électrons : Ainsi : Z = q nuage / q électrons (AN) Z = - 4,6410-18 / 1,610-19 = 29 L atome de cuivre comporte 29 électrons donc 29 protons. La masse de l atome de cuivre s obtient par la relation : m u = Zm p + Zm e- + (A Z)m n Ici : m p = m n = m nucléons Donc : m u = Am nucléon + Zm e- ainsi A = (m u Zm e- )/m nucléons (étant donné l approimation des masses des protons et neutrons on peut tout aussi négliger la masse des électrons et m u = Am nucléons ) (AN) A = ( 1,0510-25 299,1110-31 )/1,6710-27 = 62,8 63 Le noyau de l atome contient donc également : 63 29 = 34 neutrons 63 b) Donner sa représentation symbolique : 29u /0,25
PARTIE III : DES MLEULES DRANTES 10 points Document 1 : Terpènes Le citronellol, le géraniol, le néral sont des molécules appartenant à la famille des terpènes. n les trouve dans des huiles essentielles comme l huile essentielle de pélargonium ou de rose. (1) (1) itronnellol Géraniol Néral Document 2 : Transformation de terpènes Le tétrahydroborate de sodium NaBH 4, dans l éthanol, réagit sur les doubles liaisons = selon l équation de réaction suivante : NaBH 4 H ette réaction n affecte pas les doubles liaisons =. Questions : 1- Représenter les formules semi-développées du citronnellol, géraniol et néral /0,5 3 H H H H H H H citronnellol géraniol néral 2- es trois molécules sont-elles des isomères? Justifier Des isomères sont des molécules qui présentent la même formule brute mais dont la formule développée est différente. /0,5 itronnellol : 10 0 Géraniol : 10 H 18 Néral : 10 H 16 /0,25 3 Les trois molécules n ont pas la même formule brute ce ne sont pas des isomères /0,25 3- ombien de liaisons doubles contient le néral. Sont-elles conjuguées? Justifier Le néral possède 3 doubles liaisons (2 = et 1 =) /0,25 Deu doubles liaisons sont conjuguées si elles ne sont séparées que par 1 liaison simple. /0,5 Dans le néral : =-= sont conjuguées. /0,25
4- En utilisant les structures électroniques de chaque atome, préciser le nombre de doublets liants et non liants que peuvent former l atome de carbone et d oygène. Des données sont manquantes pour faire cette question ( Z=6 pour ; Z=7 pour N et Z=8 pour ) BNUS ou N ANNULE LA QUESTIN? Atome de : (K) 2 (L) 4 Il manque 4 électrons pour satisfaire l octet Donc 4 doublets liants possibles et 0 doublet non liant Atome de : (K) 2 (L) 6 Il manque 2 électrons pour satisfaire l octet Donc 2 doublets liants possibles et 2 doublets non liants 5- Quelle est géométrie adoptée par les doublets de l atome de carbone (1) : a) Dans le citronnellol Les 4 doublets liants du carbone forment 4 liaisons simples qui s orientent selon une géométrie tétraédrique. /0,5 b) Dans le néral Les 4 doublets liants du carbone forment 2 liaisons simples et 1 liaison double qui s orientent selon une géométrie triangulaire plane./0,5 6- Le Géraniol : a) Quelle est la géométrie adoptée par les doublets de l atome de d oygène de cette molécule. Les 2 doublets liants de l oygène forment 2 liaisons simples, l atome possède également 2 doublets non liants. L ensemble s orientent selon une géométrie de type tétraèdre et en particulier coudée./0,5 b) Donner la formule de Lewis de la molécule. Formule développée /0,25 Doublets non liants sur l oygène /0,25 7- La réaction chimique du néral avec NaBH 4 conduit à une molécule appelée nérol. a) Ecrire la formule topologique du nérol /0,5 nérol b) Le nérol et le géraniol sont des isomères Z/E : epliquer, en précisant l isomérie de chaque molécule. Pour une molécule possédant une double liaison, l isomère est Z si les deu H sont disposés du même côté de la double liaison, l isomère est E si les deu H sont disposés de part et d autre de la double liaison./0,5 Ici nérol : isomère Z et géraniol :isomère E /0,25 2 Difficulté car pas par rapport au H ici 8- Le cation flavylium ci-dessous est présent dans les pétales de certaines roses et leur confère leur couleur : a) Est-elle une molécule organique? Justifier Une molécule est organique si elle est constituée d une chaîne hydrogénocarbonnée /0,5 b) Relier le caractère coloré de la molécule à sa structure H H H R + H H H H R La molécules possède des groupes chromophores sous la forme de doubles liaisons conjuguées : 8 A ces groupes s ajoutent des groupes auochromes : ou R /0,5 2 c) iter deu autres facteurs pouvant influencer la couleur? ph T - lumière solvant oydation /0,5 2