Devoir surveillé de chimie n˚ 2

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PCSI - Lycée Brizeux - Quimper DS 02 - 16 octobre 2010 Devoir surveillé de chimie n˚ 2 – Ce sujet comporte 7 pages, numérotées de 1 à 7. Le candidat est prié de vérifier qu'il possède un sujet complet avant de commencer à composer. – Le candidat attachera la plus grande importance à la clarté, à la précision et à la concision de la rédaction. – Si un candidat est amené à repérer ce qui peut lui sembler être une erreur d'énoncé, il le signalera sur sa copie et devra poursuivre sa composition en expliquant les raisons des initiatives prises. – Toute réponse devra être clairement justifiée. – Ce sujet comporte 6 parties indépendantes, au sein desquelles il existe des sous-parties indépendantes. Il y a de plus un exercice bonus, plus complexe, auquel il convient de s'intéresser en dernier lieu. – Le sujet comporte en page 7 un document réponse pour le problème 6. Ce document est à rendre, même si le candidat ne traite pas le problème correspondant. Le candidat veillera à bien y indiquer son nom. – Les calculatrices sont interdites. «Le meilleur moyen d'avoir une bonne idée est d'en avoir beaucoup.» Linus Pauling Problème 1 : Réduction du monoxyde d'azote en monoxyde de diazote Le monoxyde d'azote NO est un sous-produit des processus de combustion à haute tem- pérature qui pose de nombreux problèmes en matière d'environnement.

  • atome

  • incolore incolore

  • chlorure de sulfuryle o2scl2

  • formule nh2-nh2

  • ion chlorate

  • série de mélanges d'ions halogénure et de dihalogènes en solution aqueuse

  • diiode chlorure de potassium vert

  • agitation

  • molécule de dichlore


Publié le : mardi 29 mai 2012
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Source : cpge-brizeux.fr
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PCSI - Lyce Brizeux - Quimper
DS 02 - 16 octobre 2010
Devoir surveillÉ de chimie n˚2
– Ce sujet comporte 7 pages, numrotes de 1 À 7. Le candidat est pri de vrifier qu’il possde un sujet complet avant de commencer À composer. – Le candidat attachera la plus grande importance À la clart, À la prcision et À la concision de la rdaction. – Si un candidat est amen À reprer ce qui peut lui sembler tre une erreur d’nonc, il le signalera sur sa copie et devra poursuivre sa composition en expliquant les raisons des initiatives prises. – Toute rponse devra tre clairement justifie. – Ce sujet comporte 6 parties indpendantes, au sein desquelles il existe des sous-parties indpendantes. Il y a de plus un exercice bonus, plus complexe, auquel il convient de s’intresser en dernier lieu. – Le sujet comporte en page 7 un document rponse pour le problme 6. Ce document est À rendre, mme si le candidat ne traite pas le problme correspondant. Le candidat veillera À bien y indiquer son nom. – Les calculatrices sont interdites.
«Le meilleur moyen d’avoir une bonne idÉe est d’en avoir beaucoup.» Linus Pauling
ProblÈme 1 : RÉduction du monoxyde d’azote en monoxyde de diazote Le monoxyde d’azote NO est un sous-produit des processus de combustion À haute tem-prature qui pose de nombreux problmes en matire d’environnement. L’oxydation de NO par l’oxygne de l’air produit le dioxyde d’azote NO2qui est À l’origine des pluies acides. De plus NO est un catalyseur de la raction O3+ O2 O2qui contribue À l’accroissement du "trou d’ozone". Par consquent, il est essentiel de pouvoir limiter au maximum la formation de NO ou bien de pouvoir transformer NO en des produits respectant mieux l’environnement. L’objet de ce problme est d’aborder divers aspects de la raction de rduction par CO de NO en monoxyde de diazote N2O catalyse par un complexe du palladium. 1. Donner les configurations lectroniques À l’tat fondamental de N et O. 2. Rappeler la dfinition de l’lectrongativit. Nommer deux chelles d’lectrongativit couramment utilises. 3. Justifier qualitativement la diffrence d’lectrongativit entre N et O. 4. Proposer une structure de Lewis pour NO. Pourquoi cette molcule se dimrise-t-elle facilement ? 5. Proposer une ou plusieurs structure(s) de Lewis pour N2O compatible(s) avec le rsultat de la question 2. (O n’est li qu’À un seul atome d’azote). Quelle est la gomtrie de N2O ? Justifier.
Tristan Ribeyre [ribeyre@cpge-brizeux.fr]
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ProblÈme 2 : Autour de l’ÉlÉment chlore : Structures de l’atome, du corps simple et de quelques composÉs chlorÉs
Le dichlore Cl2a t synthtis pour la premire fois par le chimiste sudois C.W. Scheele en 1774. Ce dernier le prit pour un corps compos et l’appela "air acide marin dphlogistiqu". En 1810, le chimiste anglais Sir H. Davy identifia ce gaz comme un corps simple et l’appela "chlore" en raison de sa couleur vert-jaune (du grecchlorosvert). Le gaz dichlore est fortement toxique et trs irritant pour les poumons.
1. Quelques dfinitions (a) OÙ est situ l’lment chlore dans la classification priodique ? (b) Dfinir un corps simple puis un corps compos. 2. L’atome (a) Le chlore naturel existe sous deux formes isotopiques le chlore 35, de masse mo-1 laire atomique M1= 35,0 get le chlore 37, de masse molaire atomiquemol , 1 M2= 37,0 gLa masse molaire atomique du chlore naturel vaut M = 35,5mol . 1 gEn dduire l’abondance relative de ces deux isotopes.mol . (b) Configuration lectronique À l’tat fondamental i. Ètablir la configuration lectronique de l’atome de chlore dans son tat fonda-mental aprs avoir rappel les rgles qui doivent tre utilises pour cela. ii. Quels nombres d’oxydation (charge des ions stables) peut-on prvoir pour le chlore ? 3. La molcule de dichlore (a) Les orbitales de valence sont les orbitales atomiques contenant les lectrons de va-lence. Quelles sont les orbitales de valence d’un atome de chlore ? (b) Dans les conditions habituelles de temprature et de pression, le dichlore est un gaz vert. Cette couleur est due À l’absorption de certaines radiations de la lumire. Quelle est la couleur de ces radiations ? Donner un ordre de grandeur de leur lon-gueur d’onde dans le vide.
4. Ètude de quelques composs contenant l’lment chlore (a) Ètablir la reprsentation de Lewis des espces polyatomiques suivantes dont l’atome central est reprsent en gras et dont la formule est crite de faÇon À traduire l’en-chaïnement : i. Le chlorure de thionyle OSCl2(a) ; ii. Le chlorure de sulfuryle O2SCl2(b) ; iii. Le trichlorure d’iodeICl3(c). (b) Dterminer, À l’aide de la mthode VSEPR, la gomtrie des difices (a) et (b) au niveau de l’atome de soufre central et celle de l’difice (c). (c) Dans l’difice (c? Justifier), peut-on remplacer l’atome d’iode par un atome de fluor la rponse.
Tristan Ribeyre [ribeyre@cpge-brizeux.fr]
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(d) Formes msomres i. Ècrire les formules msomres les plus contributives de l’ion chloriteCldeO et 2 l’ion chlorateClO . Dans les formules de ces ions, l’atome central est reprsent 3 en gras. ii. Pourquoi les distances chlore – oxygne sont-elles identiques dans l’ion chlorite ? Cette distance sera note d1. Pourquoi les distances chlore – oxygne sont-elles identiques dans l’ion chlorate ? Cette distance sera note d2. iii. Comparer les longueurs des liaisons chlore – oxygne d1et d2. Justifier.
ProblÈme 3 : Classification pÉriodique et propriÉtÉs chimiques Energie d’ionisation au sein de la troisiÈme pÉriode 1 Les nergies de premire ionisation EI1(en kJdes lments de la ligne du chlore sontmol ) les suivantes :
Atome EI1
Na 496
Mg 738
Al 577
Si 786
P 1012
S 1000
Cl 1251
Ar 1520
Dfinir l’nergie de premire ionisation pour un atome. Justifier l’volution gnrale de ces valeurs et discuter les anomalies apparentes.
Pouvoir oxydant des dihalogÈnes On cherche À classer les dihalognes par pouvoir oxydant croissant. 1. Rappeler la configuration lectronique de valence des halognes. 2. Quelle molcule simple ont-ils tendance À former ? Ecrire sa structure de Lewis. Pour pouvoir interprter plus aisment les rsultats, une exprience prliminaire est excute. On dispose de trois solutions aqueuses de dihalognes, nots de manire gnrique X2. On place 1 mL de chacun des solutions dans un tube À essais. On ajoute 1 mL d’heptane À chacun des tubes À essais et on agite. On observe. 3. Rappeler la formule topologique de l’heptane. 4. On rappelle qu’il y a libre rotation autour des liaisons simples au sein d’une molcule. A quelle valeur de moment dipolaire peut-on s’attendre pour l’heptane ? 5. L’eau est-elle un solvant polaire ou apolaire ? Justifier. 6. La rgle simple qui dfinit si deux corps se mlangent ou non est : "qui se ressemble s’as-semble". D’aprs le commentaire effectu sur la polarit des deux molcules prcdentes, sont-elles miscibles ou non ? Le tableau 1 indique les couleurs observes pour chacune des phases avant et aprs agitation. 7. Au vu des diffrences de couleurs, quel est l’intrt de rajouter de l’heptane ? 8. Comment s’appelle la technique chimique mise en jeu ici ? Quel autre usage connaissez-vous pour cette technique ?
Tristan Ribeyre [ribeyre@cpge-brizeux.fr]
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Dihalogne Couleur de la phase aqueuse avant agitation Couleur de la phase organique avant agitation Couleur de la phase aqueuse aprs agitation Couleur de la phase organique aprs agitation
Dichlore Vert Incolore Incolore Vert
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Dibrome Orange Incolore Incolore Orange
Table1 – Couleurs observes avant et aprs agitation
On ralise une srie de on ajoute de l’heptane. dans le tableau 2.
mlanges d’ions halognure et de dihalognes On note la couleur de l’heptane observe. Les
Chlorure de potassium Bromure de potassium Iodure de potassium
Dichlore Vert Orange Violet
Dibrome Orange Orange Violet
Diiode Jaune Incolore Incolore Violet
en solution aqueuse, puis rsultats sont rcapituls
Diiode Violet Violet Violet
Table2 – Couleur de la phase organique observe aprs agitation
9. Ecrire les demi-quations d’oxydorduction associes aux couples X2= Cl, Br, I)./X (X 10. Ecrire les quations de ractions susceptibles de se produire dans chacun des 9 tubes À essais prcdents. 11. Indiquer celles qui se produisent rellement. 12. En dduire un classement des dihalognes par pouvoir oxydant croissant, ainsi que des halognures par pouvoir rducteur croissant. 13. Relier le classement prcdent À l’lectrongativit des lments tudis. Ce rsultat vous semble-t-il cohrent ? 14. En dduire la position du difluor dans le classement prcdent.
ProblÈme 4 : Test d’identification de la propanone La propanone ragit avec une solution de 2,4-DNPH (2,4-dinitrophnylhydrazine) pour donner un prcipit jaune-orang de 2,4-dinitrophnylhydrazone. Ce prcipit, une fois recristallis dans de l’thanol, a une temprature de fusion qui permet de caractriser la propanone. 1. L’hydrazine a pour formule NH2-NH2. Prvoir la gomtrie VSEPR de chacun des atomes d’azote. En dduire la gomtrie VSEPR de l’hydrazine sachant que cette molcule est polaire. 2. Rappeler la formule topologique de la propanone. 3. A quelle famille chimique appartient cette molcule ? 4. Pourquoi n’est-il pas ncessaire d’indiquer la position de la fonction dans le nom "propa-none" ? 5. Quel est l’intrt de recristalliser la 2,4-dinitrophnylhydrazone avant de mesurer sa tem-prature de fusion ? 6. Expliquer sommairement le principe d’une recristallisation.
Tristan Ribeyre [ribeyre@cpge-brizeux.fr]
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ProblÈme 5 : Un exemple de rÉaction de chimie organique On s’intresse À la raction d’quation-bilan :
H2SO4(cat.) GGB CH3COOH+CH3CH2CH2CH2CH2OHFGGGGGGGGGGGGGGGGGCH3COOCH2(CH2)3CH3+H2O | {z } A 1. D’aprs la thorie VSEPR, quelle est la gomtrie de chacun des atomes de carbone au sein du premier ractif ? 2. Reprsenter les structures de Lewis des ractifs et des produits. Les nommer. Donner les familles chimiques auxquelles ils appartiennent le cas chant. Dans quel compos de la vie quotidienne trouve-t-on le premier ractif ? 3. Quel est le nom donn À cette raction ? Rappeler brivement ses caractristiques. 4. En dduire les espces prsentes À la fin de la raction. 5. On souhaite isoler le composA, produit de la raction diffrent de l’eau. Pour cela on procde en plusieurs tapes. (a) Le milieu ractionnel final est biphasique. Donner une mthode pour sparer ces deux phases liquides. Faire un schma explicatif. (b) On conserve seulement la phase organique. On y ajoute une solution sature de carbonate de sodium Na2CO3. i. Donner la formule brute de l’ion carbonate. ii. Ecrire ses formes msomres (l’atome de carbone est l’atome central). iii. Est-ce un acide ou une base ? iv. On observe un dgagement gazeux. Quelle est sa nature ? v. Pourquoi effectue-t-on cette tape ? (c) Le milieu tant À nouveau biphasique, on recueille par la mme mthode que prc-demment la phase organique. On y ajoute du sulfate de magnsium anhydre MgSO4. i. Donner la formule brute de l’ion sulfate. ii. Ecrire les formes msomres les plus contributives (au nombre de 6). iii. Quel est l’intrt de cette tape ? Comment est-elle appele ? iv. Quelle doit tre l’tape suivante pour obtenir le composAseul ? Quelles sont les natures des phases À sparer ? 6. Proposez une technique de purification du composA.
ProblÈme 6 : De la reprÉsentation des molÉcules On s’intresse au 2-chloro-3-phnylbutane. 1. Donner sa formule topologique. 2. Complter le tableau fourni en annexe. On veillera À projeter selon l’axe de la liaison C2-C3, la numrotation des atomes de carbone tant celle de la nomenclature, en regardant les reprsentations de Cram depuis la droite. Les projections fournies respectent galement ces consignes.
Tristan Ribeyre [ribeyre@cpge-brizeux.fr]
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3. Rappeler la dfinition du moment dipolaire d’une liaison covalente. 4. En dduire la polarisation des liaisons carbone-carbone, carbone-hydrogne et carbone-chlore. 5. Indiquer la nature de la ou des liaison(s) qui contribuera(ront) le plus au moment dipolaire total. 6. Reprsenter le moment dipolaire total À cÔt de la premire reprsentation de Cram. 7. Combien de molcules diffrentes sont reprsentes dans le tableau ? (on rappelle qu’il y a libre rotation autour des liaisons simples.) Donnes :χP;(H) = 2,20 χP(C) = 2,55 ;χP(Cl) = 3,16.
ProblÈme bonus : Des effets Électroniques Les structures de Lewis du benzne et de quelques-uns de ses drivs sont reprsents en figure 1. 1. Rappeler quels sont les deux types d’effets lectroniques. 2. Pour chacun des drivs, prciser si le cycle est plus ou moins riche en lectrons que celui du benzne. Justifier soigneusement votre rponse. 3. Quels sont les cycles les plus nuclophiles ?
Figure1 – Benzne et quelques drivs
Tristan Ribeyre [ribeyre@cpge-brizeux.fr]
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Document rÉponse pour le problÈme 6 - A rendre obligatoirement
Reprsentation de Cram
Tristan Ribeyre [ribeyre@cpge-brizeux.fr]
Projection de Newman
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