Olympiades de la Chimie, Centre de Pau Concours 2005 Page 1/7 Union des Industries Chimiques Olympiades de la Chimie Centre de Pau XXIèmes Olympiades de la Chimie Concours 2005 des classes de terminale Prénom : Nom : Lycée : Professeur : Quatrième partie «Chimie et habitat» Étude d un protocole de synthèse d un pigment Recommandations... 2 Données... 2 1. Introduction... 3 2. Protocole de synthèse de PbCrO 4... 4 3. Questions... 5
Olympiades de la Chimie, Centre de Pau Concours 2005 Page 2/7 Recommandations Ton portable, tu éteindras. Tes voisins, tu oublieras. Tes réponses, tu justifieras. Ton écriture, tu soigneras. De l orthographe, tu te soucieras. En silence, tu réfléchiras. Données On donne les masses molaires suivantes : M(H) = 1 g/mol M(C) = 12 g/mol M(N) = 14 g/mol M(O) = 16 g/mol M(Na) = 23 g/mol M(K) = 39 g/mol M(S) = 32 g/mol M(Ca) = 40 g/mol M(Cr) = 52 g/mol M(Pb) = 207 g/mol Pour un gaz : V m = 22,4 L/mol
Olympiades de la Chimie, Centre de Pau Concours 2005 Page 3/7 1. Introduction 1 Dans le domaine de l habitat, on trouve les peintures. Et dans les peintures on trouve, entre autres produits servants de liants et de solvants, des pigments! À l origine, du temps des hommes préhistoriques, les pigments utilisés étaient obtenus à partir des terres ocres, des argiles rouges et jaunes, et d os ou de végétaux calcinés (charbon). La palette ainsi formée suffisait à dessiner de belles scènes de chasse, des mains ou des bisons. Si leurs peintures ont pu traverser les millénaires, c est grâce à des formulations astucieuses, mélanges de divers ingrédients issus de leur environnement naturel, animal, végétal ou minéral. Il faut, au moins une fois dans sa vie, visiter les rares grottes encore accessibles au public pour voir leur étonnant travail, de véritables artistes, mieux que des peintres, ils utilisaient le relief des parois de pierre pour donner l impression d animaux en relief. Puis d autres civilisations à d autres époques se sont dotées de nouveaux pigments colorés issus de pierres broyées, de mollusques ou de plantes et, encore assez rarement, de réactions alchimiques. Aujourd hui, nous savons fabriquer toutes une palette de couleurs grâce à la chimie : des oxydes, des sulfures, des carbonates, ou encore des molécules organiques complexes dont la couleur peut être ajustée en fonction de groupements chimiques bien placés dans la molécule. Assez bavardé, ne perdons pas de temps! Vous allez maintenant étudier le protocole de synthèse d un pigment de couleur jaune : le chromate de plomb. 1 Ce sujet est fortement inspiré d un document rédigé par Françoise Beaudoin et Robin Goutallier du Lycée Claude Bernard de Villefranche-sur-Saône (http://physiqueclaudeb.free.fr)
Olympiades de la Chimie, Centre de Pau Concours 2005 Page 4/7 2. Protocole de synthèse de PbCrO 4 2.1. Placer un filtre à verre fritté droit à l étuve. Vérifier qu il est bien sec en le pesant sur une balance de précision. 2.2. Peser avec précision 0,1 g de nitrate de chrome cristallisé et le dissoudre dans 10 ml d eau distillée dans un erlenmeyer de 100 ml. 2.3. Ajouter environ 15 gouttes de soude à 25%. On obtient alors une solution vert clair de Cr(OH) 4. 2.4. Ajouter, avec précautions, 5 ml d eau oxygénée à 100 volumes. La solution devient marron. 2.5. Chauffer prudemment pour éliminer l excès d eau oxygénée. 2.6. La solution devient jaune clair dès que tout le chromate est formé. On continue le chauffage pendant 15 à 20 minutes pour bien éliminer l eau oxygénée. Il faut veiller à ne pas laisser s évaporer toute l eau. 2.7. Pendant l ébullition, retirer le filtre à verre fritté de l étuve à l aide d une pince, le laisser refroidir et le peser avec précision. 2.8. Préparer une solution de 0,9 g de nitrate de plomb cristallisé dans 50 ml d eau. 2.9. Ajouter 5 ml d acide acétique dilué. 2.10. Placer 20 ml de cette solution dans une ampoule de coulée. Ajouter de l acide acétique dilué à la solution de chromate jusqu à ce qu elle devienne orange. Il faut éviter d être en milieu basique. 2.11. Couper le chauffage et additionner la solution de nitrate de plomb goutte à goutte en agitant doucement l erlenmeyer, puis chauffer la solution près de l ébullition pendant environ 4 minutes. Un précipité se forme. 2.12. Le laisser se déposer et verser avec précaution la solution et le solide sur le filtre à verre fritté. Mettre la trompe à vide en marche, en aspirant doucement. Placer le fritté à l étuve puis, une fois sec, récupérer le pigment PbCrO 4.
Olympiades de la Chimie, Centre de Pau Concours 2005 Page 5/7 3. Questions 3.1. En bon chimiste que vous êtes, quelles précautions particulières prendriez-vous si vous deviez réaliser cette synthèse? [1] Les composés de métaux lourds (plomb, chrome) étant particulièrement toxiques, il serait prudent de porter des gants, des lunettes, un masque anti-poussières ou un travail sous hotte aspirante. 3.2. Qu est-ce qu un verre fritté droit et quel est son usage? [1] C est une poudre de verre comprimée sous forme d une galette, placé dans un support en verre cylindrique. [1] Les pores du verre fritté laissent passer les liquides (solvants) mais retiennent les solides en suspension dans le solvant comme un filtre. 3.3. Pourquoi utiliser un fritté en verre plutôt d un simple papier filtre? [1] Le papier filtre retient mal les particules très fines. [1] La papier filtre ne peut pas être passé à l étuve pour sécher le solide qui y est déposé. 3.4. Étape 2.1 : comment savoir si le fritté est bien sec par mesure de sa masse? [1] S il est encore humide, sa masse va varier au cours du temps pendant son séchage à l étuve. On sait qu il est sec lorsque la masse reste constante. 3.5. Sachant que dans ce cas le chrome est trivalent, quelle est la formule du nitrate de chrome? [1] Cr(NO 3 ) 3. 3.6. Étape 2.2 : quelle est la quantité de matière de nitrate de chrome correspondante? n = m/m M = 52 + 3x(14+3x16) = 238 g/mol. [1] n = 0,1 / 238 = 4,2.10 4 mol. 3.7. Étape 2.3 : comment prépare-t-on de la soude à 25% à partir de pastilles de soude et d eau? [1] 25% est un pourcentage massique. On pèse 25 g de NaOH que l on dissout dans 75 g d eau. La réaction est exothermique.
Olympiades de la Chimie, Centre de Pau Concours 2005 Page 6/7 3.8. Étape 2.3 : écrire la réaction entre le nitrate de chrome et la soude en faisant apparaître tous les ions. [1] Cr(NO 3 ) 3 + 4(Na +, OH ) (Na +, Cr(OH) 4 ) + 3(Na +, NO 3 ) 3.9. Étape 2.4 : que signifie «à 100 volumes» pour une eau oxygénée? [1] Il est possible d obtenir 100 L de dioxygène gazeux à partir de 1 L d eau oxygénée à 100 volumes. 3.10. Convertir les «100 volumes» en pourcentage. On considère 1 L de cette eau oxygénée. n O2 = 100 / 22,4 = 4,46 mol Or d après l équation H 2 O 2 H 2 O + 1/2 O 2(g), on a n H2O2 = 2 n O2 = 8,86 mol. [1] Donc m H2O2 = n H2O2 x M H2O2 = 8,86 x 34 = 303 g pour 1000 g d eau, soit 30,3% 3.11. Étape 2.5 : quel gaz se dégage lorsqu on chauffe? [1] C est le dioxygène, d après la réaction H 2 O 2 H 2 O + 1/2 O 2(g) 3.12. Étape 2.6 : la couleur jaune vient de l ion chromate. Sachant qu il est analogue à l ion sulfate, quelle est sa formule? 2 [1] CrO 4 3.13. Étape 2.8 : sachant que dans ce cas, le plomb est divalent, quelle est la formule du nitrate de plomb? [1] Pb(NO 3 ) 2. 3.14. : Quelle est la quantité de matière de nitrate de plomb correspondante? n = m/m M = 207 + 2x(14+3x16) = 331 g/mol. [1] n = 0,9 / 331 = 2,7.10 3 mol. 3.15. Étape 2.10 : quelle est la quantité de matière d ion Pb 2+ qui est versée? L ajout des 5 ml d acide acétique fait passer le volume de la solution de plomb à 55 ml. La concentration en plomb est alors C = 2,7.10 3 /55.10 3 = 0,049 mol/l. On ne prend que 20 ml de cette solution, donc : [1] n = 0,049x20. 10 3 = environ 10 3 mol
Olympiades de la Chimie, Centre de Pau Concours 2005 Page 7/7 3.16. Étape 2.10 : en milieu acide, l ion chromate est instable et forme l ion dichromate Cr 2 O 2 7 de couleur orange. Écrire cette réaction chimique. [1] 2CrO 2 4 + 2H 3 O + Cr 2 O 2 7 + 3H 2 O 3.17. Étape 2.12 : dans l hypothèse où toutes les étapes de synthèse sont totales et qu il n y a pas eu de perte de produits, quelle masse de pigment sec peut-on espérer récupérer? D après les quantités de matière de chromate et de plomb calculées, c est le chromate qui est en défaut. On pourra donc au maximum récupérer 4,2.10 4 mol de pigment, soit : [1] m = n x M = 4,2.10 4 x (207+52+4x16) = 4,2.10 4 x 323 = environ 0,135 g