BACCALAURÉAT TECHNOLOGIQUE STL - CHIMIE DE LABORATOIRE ET DE PROCÉDÉS INDUSTRIELS ÉPREUVE DE CHIMIE

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Niveau: Secondaire, Lycée
Code sujet : 11PYCLMECH1 1/8 Session 2011 BACCALAURÉAT TECHNOLOGIQUE STL - CHIMIE DE LABORATOIRE ET DE PROCÉDÉS INDUSTRIELS ÉPREUVE DE CHIMIE Durée de l'épreuve : 3 heures Coefficient : 4 Le sujet comporte 8 pages numérotées de 1/8 à 8/8. L'usage de la calculatrice est autorisé.

  • expression littérale du potentiel e2 de l'électrode de zinc plongeant dans la solution s2

  • solutions tampons

  • expression littérale du potentiel e1 de l'électrode de cuivre

  • hydrométallurgie du zinc

  • demi-pile

  • teneur en cuivre

  • attaque du laiton

  • réaction de copulation diazoïque


Publié le : mardi 19 juin 2012
Lecture(s) : 80
Source : ac-aix-marseille.fr
Nombre de pages : 8
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Code sujet : 11PYCLMECH1
1/8
Session
2011
BACCALAURÉAT
TECHNOLOGIQUE
STL - CHIMIE DE LABORATOIRE ET DE PROCÉDÉS INDUSTRIELS
ÉPREUVE DE CHIMIE
Durée de l'épreuve : 3 heures
Coefficient : 4
Le sujet comporte 8 pages numérotées de 1/8 à 8/8.
L'usage de la calculatrice est autorisé.
Code sujet : 11PYCLMECH1
2/8
HYDROMÉTALLURGIE DU ZINC
Données
(à 25 °C)
Potentiels standard :
E
0
1
(Cu
2+
/ Cu) = 0,34 V ;
E
0
2
(Zn
2+
/Zn) =
-
0,76 V
F
RT
×
ln x = 0,060
×
lg x, en V
Le zinc métallique est obtenu à partir de la blende, minerai essentiellement constitué de sulfure de
zinc, avec notamment des traces d’oxyde de cuivre(II).
Après plusieurs étapes de traitement de la blende, on obtient une solution aqueuse S contenant
des ions Zn
2+
et des traces d’ions Cu
2+
.
Les concentrations molaires sont égales à 2,3 mol.L
-1
pour les ions Zn
2+
et 1,6
×
10
-2
mol.L
-1
pour
les ions Cu
2+
dans la solution S.
L’objectif est d’éliminer les ions cuivre(II) de la solution S.
1. Étude d’une pile.
Dans un bécher 1, on place un volume
V
1
= 100 mL d’une solution S
1
de sulfate de cuivre(II) de
concentration molaire
c
1
= 1,6
×
10
-2
mol.L
-1
.
Dans un bécher 2, on place un volume
V
2
= 100 mL d’une solution S
2
de sulfate de zinc de
concentration molaire
c
2
= 2,3 mol.L
-1
.
1.1. Étude de la demi-pile 1.
On plonge une lame de cuivre dans le bécher 1.
1.1.1. Donner l’expression littérale du potentiel
E
1
de l’électrode de cuivre plongeant dans la
solution S
1
.
1.1.2. Calculer le potentiel de cette électrode.
1.2. Étude de la demi-pile 2.
On plonge une lame de zinc dans le bécher 2.
1.2.1. Donner l’expression littérale du potentiel
E
2
de l’électrode de zinc plongeant dans la
solution S
2
.
1.2.2. Calculer le potentiel de cette électrode.
1.3.
Étude de la pile obtenue en reliant la demi-pile 1 à la demi-pile 2.
1.3.1. Faire un schéma annoté de cette pile : indiquer les polarités et préciser le sens de
circulation des électrons et du courant.
1.3.2.
Calculer la force électromotrice de cette pile en début de fonctionnement.
1.4. Étude de l’évolution du système.
1.4.1. Écrire l’équation de la réaction modélisant la transformation qui se produit dans la pile
lorsqu’elle débite.
1.4.2. Donner l’expression de la constante d’équilibre
K
de la réaction mise en jeu en fonction
des concentrations des différentes espèces à l’équilibre.
1.4.3. Établir l’expression de la constante d’équilibre
K
en fonction des potentiels standard des
couples mis en jeu ; vérifier que cette constante est voisine de 5
×
10
36
.
1.4.4. Exprimer et calculer le quotient de réaction Q
r,i
en début de fonctionnement. En déduire
le sens d’évolution du système constitué par la pile.
1.4.5. Calculer la concentration en ions cuivre(II) dans le bécher 1 quand la pile s’arrête de
fonctionner (on considèrera que la concentration dans le bécher 2 reste sensiblement égale à
c
2
tout au long de la transformation).
2. La cémentation.
La cémentation consiste à disperser de la poudre de zinc dans la solution S contenant des ions
Cu
2+
et Zn
2+
. Après plusieurs heures de contact, la solution est filtrée.
Expliquer l’intérêt de cette opération de cémentation
Code sujet : 11PYCLMECH1
3/8
DOSAGE DU CUIVRE DANS UN LAITON
Les questions 1, 2, 3 et 4 sont indépendantes.
Données (à 25 °C)
Potentiels standard :
E
0
3
(NO
3
-
/NO(g)) = 0,96 V ;
E
0
4
(Cu
2+
/ Cu) = 0,34 V
pKa(NH
4
+
/NH
3
) = 9,2
Constante de dissociation du complexe [Cu(NH
3
)
4
]
2+
:
K
D
= 1,0 × 10
-12
Masse molaire du cuivre : M
Cu
= 63,5 g.mol
-1
Masse molaire du chlorure d’ammonium : M
NH
4
Cl
= 53,5 g.mol
-1
Le laiton est un alliage constitué de cuivre et de zinc.
Sa teneur en cuivre est comprise entre 95 % et 55 %, en masse.
La teneur en cuivre dans un laiton peut être déterminée par spectrophotométrie d’absorption du
complexe [Cu(NH
3
)
4
]
2+
.
Dans un premier temps, le laiton est attaqué par une solution d’acide nitrique.
Après neutralisation et dilution, on obtient une solution contenant des ions cuivre(II). Les ions
cuivre(II) sont ensuite complexés par l’ammoniac, à l’aide d’une solution tampon ammoniacale.
1.
Attaque du laiton.
Écrire l’équation de la réaction d’oxydation du cuivre avec les ions nitrate de la solution d’acide
nitrique (les demi-équations d’oxydo-réduction sont demandées).
2.
Étude d’une solution tampon.
On désire préparer 500,0 mL d’une solution tampon de pH égal à 9,2 par dissolution d’une masse
m
de chlorure d’ammonium solide dans une solution d’ammoniac à 2,0 mol.L
-1
(la dissolution
s’effectue sans variation de volume).
2.1.
Rappeler les propriétés d’une solution tampon.
2.2.
Calculer la concentration en ions ammonium dans la solution tampon à pH = 9,2.
2.3.
Calculer la masse
m
de chlorure d’ammonium solide à dissoudre.
3.
Formation du complexe [Cu(NH
3
)
4
]
2+
.
Le complexe est formé en mélangeant la solution d’ions cuivre(II) et la solution tampon à pH = 9,2.
On obtient ainsi une solution de pH = 9,2 présentant une concentration initiale en ions cuivre(II)
c
Cu
= 0,010 mol.L
-1
et une concentration initiale en ammoniac
c
NH3
égale à 2,0 mol.L
-1
. Compte
tenu du large excès d’ammoniac, on considérera que la concentration de cette espèce est
constante.
3.1.
Écrire l’équation de la réaction de complexation des ions cuivre(II) par l’ammoniac.
3.2.
Donner le nom du complexe formé.
3.3.
Donner l’expression littérale de la constante de dissociation de ce complexe.
3.4.
Au regard de la valeur de cette constante de dissociation, que peut-on dire de la stabilité du
complexe formé et donc de la réaction de formation du complexe ?
3.5.
En déduire la concentration du complexe en solution.
Code sujet : 11PYCLMECH1
4/8
N
C H
3
O H
N
SO
3
H
Étude expérimentale d’un laiton.
On traite une masse de 1,4 g d’un laiton.
Après attaque par la solution d’acide nitrique et complexation par le tampon ammoniacal, on obtient
200,0 mL de solution : la courbe d’étalonnage obtenue par spectrophotométrie d’absorption donne
une concentration en complexe [Cu(NH
3
)
4
]
2+
dans cette solution égale à 8,0
×
10
-2
mol.L
-1
.
4.1.
Calculer la masse de cuivre contenue dans l’échantillon de laiton traité.
4.2.
Déterminer alors le pourcentage massique en métal cuivre dans le laiton étudié ; vérifier que ce
résultat est conforme avec les indications de l’énoncé sur la teneur générale en cuivre d’un laiton.
SYNTHÈSE DU ZIRCONON
Le zirconon est un indicateur coloré utilisé dans le titrage du zirconium. La formule semi-
développée de cette molécule est la suivante :
Le zirconon est obtenu par réaction de copulation diazoïque de deux composés notés
B
et
I
.
1.
La synthèse de
B
est schématisée par la suite réactionnelle suivante :
(1)
H
2
SO
4
, SO
3
A
(2)
A
?
phénol
(3)
phénol
CH
3
Cl
catalyseur
B
(isomère para)
1.1. Étude de l’étape (1)
.
1.1.1. Écrire la formule semi-développée de
A
.
1.1.2. Nommer
A
.
1.2. Étude de l’étape (2)
.
1.2.1.
Indiquer comment transformer
A
en phénol (réactifs, conditions opératoires).
1.2.2.
Préciser le nom du procédé utilisé.
Code sujet : 11PYCLMECH1
5/8
1.3. Étude de l’étape (3)
.
1.3.1.
Proposer un catalyseur (nom et formule) pour cette transformation.
1.3.2.
Écrire l’équation de la réaction conduisant à la formation de
B
.
1.3.3. Donner la formule semi-développée de
C
(isomère de
B
) formé également lors de cette
transformation.
1.3.4. Donner la nature de l’électrophile mis en jeu dans cette transformation.
1.3.5. Nommer
B
.
2.
La synthèse de
I
est schématisée par la suite réactionnelle :
(4)
?
NO
2
D
:
(5)
D
Sn, H
+
E
HO
-
F
(6)
NH
C
CH
3
O
?
F
G
:
(7)
G
1) H
2
SO
4
, SO
3
2) H
2
O, H
+
H
(composé para, majoritaire)
(8)
H
HO
3
S
N
+
N
?
I
:
2.1. Étude de l’étape (4)
.
Préciser les conditions opératoires pour cette transformation.
2.2. Étude de l’étape (5)
.
2.2.1. Donner les formules semi-développées de
E
et
F
.
2.2.2 Écrire l’équation de la réaction traduisant le passage de
D
à
E
sachant qu’au cours de la
transformation, l’étain est oxydé en ion Sn
4+
. Les demi-équations électroniques sont demandées.
2.3. Étude de l’étape (6)
.
2.3.1. Proposer un réactif (nom et formule) pour réaliser cette transformation.
2.3.2. Nommer
G
.
2.4. Étude de l’étape (7)
.
Donner la formule semi-développée de
H
.
2.5. Étude de l’étape (8)
.
Préciser le nom de la réaction conduisant à
I
.
3. Formation du zirconon.
Écrire l’équation de la réaction de
B
avec
I
conduisant à la formation du zirconon.
Code sujet : 11PYCLMECH1
6/8
DÉTERMINATION DE LA STRUCTURE D’UN COMPOSÉ AROMATIQUE
DONNÉES :
Élément
H
C
O
Numéro atomique
1
6
8
Masse molaire / g.mol
-1
1,0 12,0 16,0
On cherche à déterminer la structure d’un composé
J
, additif de certaines huiles dont il augmente
la viscosité.
Dans un premier temps
J
est hydrolysé en milieu basique. Après acidification du milieu
réactionnel, un solide
K
cristallise et un composé liquide
L
est isolé. On analyse successivement
K
et
L
pour déterminer la structure de
J
.
1. Détermination de la structure de K.
On donne la formule brute de
K
: C
7
H
6
O
2
ainsi que son spectre IR (ci-dessous) ; on précise
également :
- qu’une solution aqueuse de
K
a un pH inférieur à 7,
- que
K
est aromatique.
1.1.
Identifier grâce au tableau fourni en annexe les bandes qui caractérisent le groupement
fonctionnel présent dans
K
.
1.2.
Donner la formule semi-développée de
K
.
2. Détermination de la structure de L.
2.1.
L
de masse molaire M
L
= 74,0 g.mol
-1
est composé de 64,9 % d’élément carbone et 13,5 %
d’élément hydrogène, en masse.
Déterminer la formule brute de
L
, C
x
H
y
O
z
.
Transmittance (%)
Nombre d’onde (cm
-1
)
Code sujet : 11PYCLMECH1
7/8
2.2.
L
est oxydé en un composé
M
par le permanganate de potassium en milieu sulfurique. La
masse molaire de
M
est de 72,0 g.mol
-1
. On réalise sur
M
successivement les tests suivants :
-
Test 1 : la 2,4-DNPH (2,4-dinitrophénylhydrazine) donne avec
M
un précipité orangé.
-
Test 2 : le test du miroir d’argent (réactif de Tollens) est négatif.
-
Test 3 : en versant
M
dans une solution de diiode en milieu basique, il apparaît un précipité
jaune pâle.
2.2.1.
Indiquer les renseignements fournis par chacun de ces tests.
2.2.2. En déduire la formule semi-développée de
M
et choisir, parmi les quatre formules semi-
développées ci-dessous, celle qui correspond à
L
.
HOCH
2
CH
2
CH
2
CH
3
H
3
C
CH
CH
2
CH
3
OH
HOCH
2
CH
CH
3
CH
3
C
OH
CH
3
H
3
C
CH
3
2.2.3. Donner l’équation de la réaction correspondant au test 3.
2.3.
L
existe sous la forme de deux énantiomères.
2.3.1. Dessiner en représentation de Cram un des deux énantiomères.
2.3.2.
Indiquer la configuration absolue de l’atome de carbone asymétrique dans la molécule
représentée : justifier la réponse en expliquant la démarche suivie.
3. Structure de J.
3.1.
On peut synthétiser
J
en faisant réagir
K
avec
L
en milieu acide et en chauffant.
3.1.1. Écrire l’équation de la réaction en donnant la formule semi-développée de
J.
3.1.2. Donner les caractéristiques cinétiques et thermodynamiques de cette transformation.
3.2.
J
peut être également obtenu en faisant réagir
L
sur le chlorure de benzoyle.
3.2.1. Écrire l’équation de cette réaction.
3.2.2. Indiquer l’intérêt de cette méthode de synthèse par rapport à celle proposée en
3.1.
Code sujet : 11PYCLMECH1
8/8
SPECTROSCOPIE INFRAROUGE
Table des nombres d’onde des vibrations de valence et de déformation.
Liaison
Espèce
Nature des
vibrations
Nombre d’onde / cm
-1
Intensité
F : fort ; m : moyen ; f : faible
O-H
Alcool libre
Valence
3590-3650
F (fine)
O-H
Alcool lié
Valence
3200-3600
F (large)
N-H
Amine primaire
Valence
m (2 bandes)
N-H
Amine secondaire
Valence
3300-3500
m (1 bande)
C
di
-H
Alcyne
Valence
3300
m ou f
C
tri
-H
Alcène
Valence
3030-3100
m
C
tri
-H
Aromatique
Valence
3000-3100
m
C
tet
-H
Alcane
Valence
2850-3000
F
C
tri
-H
Aldéhyde
Valence
2700-2900
m (2 bandes)
OH
Acide carboxylique
Valence
2500-3200
F à m (large)
C
C
Alcyne
Valence
2100-2260
f
C
tri
=O
Aldéhyde et
cétone
Valence
1650-1730
abaissement de 20 à 30 cm
-1
si conjugaison
F
C
tri
=O
Acide carboxylique
Valence
1700-1725
F
C
tri
=O
Ester
Valence
1735-1750
F
C
tri
=O
Amide
Valence
1630-1700
F
C
tri
=C
tri
Alcène
Valence
1620-1690
m
C
tri
=C
tri
Aromatique
Valence
1450-1600
Variable (3 ou 4 bandes)
N-H amine
Amine
Déformation
1560-1640
F ou m
-NO
2
Groupe nitro
Valence
1540-1570 et 1340-1390
F (2 bandes)
C
tet
-H
Alcane
Déformation
1430-1480
F
C
tet
-H (CH
3
)
Alcane
Déformation
1370-1390
F (2 bandes)
C
tet
-O
Alcool
Valence
1010-1200
F
C
tet
-N
Amine
Valence
1020-1250
m
C
tri
-H de -HC=CH- (E)
(Z)
Alcène
Déformation
Déformation
960-970
670-730
F
m
C
tri
-H
Aromatique
monosubstitué
Déformation
730-770 et 680-720
F (2 bandes)
C
tri
-H
Aromatique 1,2-
disubstitué
Aromatique 1,3-
disubstitué
Aromatique 1,4-
disubstitué
Déformation
Déformation
Déformation
735-770
750-800 et 680-720
800-860
F
F et m (2 bandes)
F
C-Cl
Chlorure d'alkyle ou
d'aryle
Valence
600-800
F
C-Br
Bromure d'alkyle ou
d'aryle
Valence
500-750
F
C-I
Iodure d'alkyle ou
d'aryle
Valence
500
F
C
C
tri
trigonal :
C
C
di
digonal :
C
C
tet
tétragonal
:
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