PCSI Lycée Brizeux Quimper DS novembre

Antoine Laurent De Lavoisier

Description

Niveau: Supérieur

• redaction

PCSI - Lycée Brizeux - Quimper DS 03 - 27 novembre 2010 Devoir surveillé de chimie n˚ 3 – Ce sujet comporte 6 pages, numérotées de 1 à 6. 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. – Les calculatrices sont autorisées. – Rappel : Les structures de Lewis doivent respecter la géométrie prédite par la méthode VSEPR et comporter tous les doublets électroniques, y compris les doublets non liants. «Ce sont les mots qui conservent les idées et qui les transmettent, il en résulte qu'on ne peut perfectionner le langage sans perfectionner la science, ni la science sans le langage.» Antoine Laurent de Lavoisier Problème 1 : Etude des isomères de formule brute C5H11Br 33 % des points Nombre d'insaturations 1. Déterminer le nombre d'insaturations des composés de formule brute C5H11Br. 2. Ces composés peuvent-ils posséder des cycles ? Des liaisons multiples ? De quelle multi- plicité ? 3.

• absorption de l'ion permanganate


• constante de vitesse apparente


• ordre de priorité des substituants


• réacteur fermé de volume constant


• arsine


• conformations remarquables de l'isomère


• atome de brome

Sujets

• Redaction
• Ribeyre (Truyère)
• Arsine

Informations

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• Langue: Français

Extrait

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DS 03 - 27 novembre 2010

Devoir surveillÉ de chimie n˚3

– Ce sujet comporte 6 pages, numÉrotÉes de 1 À 6. 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 laclartÉ, À laprÉcisionet À la concisionde la rÉdaction. – Siun candidat est amenÉ À repÉrer ce qui peut lui sembler tre une erreur d’ÉnoncÉ, il le signalera sur sa copie et devra poursuivre sa composition en expliquant les raisons des initiatives prises. – TouterÉponse devra treclairement justifiÉe. – Cesujet comporte 6 parties indÉpendantes, au sein desquelles il existe des sous-parties indÉpendantes. – LescalculatricessontautorisÉes. –Rappel : Les structures de Lewis doivent respecter la gÉomÉtrie prÉdite par la mÉthode VSEPR et comporter tous les doublets Électroniques, y compris les doublets non liants.

«Ce sont les mots qui conservent les idÉes et qui les transmettent, il en rÉsulte qu’on ne peut perfectionner le langage sans perfectionner la science, ni la science sans le langage.» Antoine Laurent de Lavoisier

ProblÈme 1 : Etude des isomÈres de formule brute C 5 H 11 Br 33 % des points

Nombre d’insaturations 1. DÉterminerle nombre d’insaturations des composÉs de formule brute C 5 H 11 Br. 2. CescomposÉs peuvent-ils possÉder des cycles? Des liaisons multiples? De quelle multi- plicitÉ ? 3. Aquelles familles de composÉs appartiennent les composÉs ÉtudiÉs?

Formules topologiques 4. Onpeut trouver 11 isomÈres. Donner leurs formules topologiques, en indiquant si nÉces- saire la disposition dans l’espace À l’aide du formalisme de Cram. 5. Parmices composÉs, y en a-t-il qui possÈdent des atomes de carbone asymÉtriques? Si oui, les encadrer, et mettre une Étoile À cÔtÉ des atomes de carbone concernÉs. 6. Nommertous les isomÈres. 7. Indiquerdeux isomÈres de position. 8. Indiquerdeux isomÈres de chane.

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StÉrÉochimie 9. Choisir un des stÉrÉoisomÈres de configuration possÉdant une chane carbonÉe linÉaire. ReprÉsenter son image par un miroir plan. 10. L’image obtenue est-elle superposable au composÉ initial? Que peut-on dÉduire sur la chiralitÉ de ce composÉ? 11. L’image obtenue est-elle superposable À un autre isomÈre? Conclure sur une relation d’isomÉrie (ÉnantiomÉrie ou diastÉrÉoisomÉrie). 12. Combieny a-t-il de couples d’ÉnantiomÈres au total parmi ces isomÈres?

Analyse conformationnelle 13. Dessineren projection de Newman les conformations remarquables de l’isomÈre de stÉrÉo- descripteurRpossÉdant une chane carbonÉ linÉaire (obtenues par rotations successives 2 3 deπ/3). Les projections de Newman seront effectuÉes selon l’axe de la liaison C-C (selon la nomenclature). 14. Onfera l’hypothÈse que l’atome de brome se comporte ÉnergÉtiquement comme un groupe- ment mÉthyle. Evaluer les interactions qui existent entre groupements. En dÉduire l’allure du diagramme d’Énergie potentielle.

ProblÈme 2 : Etude de composÉs cycliques 22 % des points 1. Onenvisagera tous les isomÈres de position du dimÉthylcyclobutane. Pour chacun d’eux : – Dessinertoutes les configurations possibles. – PrÉciserles relations de stÉrÉoisomÉrie entre elles. – Trouver la configuration absolue des atomes de carbone asymÉtriques, en justifiant l’ordre de prioritÉ des substituants À l’aide d’arborescences. – Indiquersi les molÉcules sont chirales ou non. – Nommertoutes les molÉcule. Il est prÉcisÉ que le cycle est plan et qu’il faut trouver au total 6 molÉcules. 2. (a)ReprÉsenter le (1S, 2S, 4R)-1,2,4-trichlorocyclohexane dans la conformation chaise suivante :

(b) Dessinerla conformation chaise interconvertie. (c) Laquelleest la plus stable? Justifier.

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ProblÈme 3 : Autour de l’arsine AsH 3 10 % des points

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La dÉcomposition de l’arsine en arsenic et dihydrogÈne s’Écrit : 3 AsH→As 3 (g) (s) +H 2 (g) 2 Cette rÉaction est du premier ordre par rapport À l’arsine. On noteksa constante de vitesse. On Étudie un rÉacteur fermÉ de volume constant contenant initialement uniquement de l’arsine À la pressionP 0 . La tempÉrature du rÉacteur est maintenue constante au cours de la rÉaction. On supposera que les gaz ont un comportement de gaz parfaits. La rÉaction sera supposÉe totale. 1. Dresserun tableau d’avancement en quantitÉ de matiÈre. Faire apparatre une colonne supplÉmentaire indiquant la quantitÉ de matiÈre totale de gaz pour chaque État indiquÉ (initial, intermÉdiaire, final). 2. En dÉduire une relation (ne faisant pas apparatre l’avancement) entre la quantitÉ de matiÈre d’arsine et la quantitÉ de matiÈre totale de gaz, puis une relation entre pression totale et pression partielle en arsine. 3. DÉterminerl’expression thÉorique de la pression partielle en arsineP AsH 3 en fonction du tempst, deket deP 0 . 4. EndÉduire l’expression thÉorique de la pression totale du systÈmePen fonction deP 0 , deket du tempst. Vers quelle valeur tend la pression totale du systÈme lorsque le temps tend vers l’infini? 5. CommentdÉterminer la valeur de la constantekÀ partir de mesures expÉrimentales de la pression totalePen fonction du tempst?

ProblÈme 4 : Etude cinÉtique d’une rÉaction de formation d’Époxyde 20 % des points

La rÉaction ÉtudiÉe est indiquÉe figure 1 :

Figure1 – Equation-bilan de la rÉaction ÉtudiÉe

◦ La cinÉtique est ÉtudiÉe expÉrimentalement À 20C. Pour cela, on dispose d’un volume 0 −1 lorhydrine (compo(c= 1,25∙10 V 0 = 200 mL d’un mÉlange de soude (c 0 ) et de chsÉB) 0 −1 mol∙L ).A diffÉrents instantst, un volume V p = 1,00 mL du mÉlange rÉactionnel est prÉlevÉ. Le prÉlÈvement est versÉ dans un erlenmeyer contenant environ 20 mL d’eau glacÉe. Un dosage −2−1 est alors effectuÉ par ajout d’acide chlorhydrique, de concentrationc a = 1,00∙10 mol∙LeL . volume d’acide versÉ À l’Équivalence est notÉ V a . Les rÉsultats obtenus sont rassemblÉs dans le tableau 1.

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t (s)0 300600 9001200 1500 1800 9000 V a 7,50 6,70 6,10 2,00(mL) 12,5 10,6 9,30 8,20 Table1 – DonnÉes expÉrimentales

1. Ecrire la rÉaction du dosage. Proposer un indicateur colorÉ qui permette de dÉtecter l’Équivalence. 2. Expliquerpourquoi l’eau ajoutÉe au prÉlÈvement doit tre glacÉe. p−q La loi de vitesse de la rÉaction s’Écritv=k[B] [HO]. 3. Calculerla concentration initiale de soudec 0 . En dÉduire une expression simplifiÉe de la loi de vitesse. − 4. Montrerqu’À chaque instant, les concentrations deBet de HOsont proportionnelles À V a . 1 5. Lestrois graphes donnant respectivement les variations de V a ,ln (V a )et enfonction V a du temps sont regroupÉs figure 2. En utilisant ces graphes et en justifiant soigneusement votre dÉmarche, dÉterminer l’ordre global de la rÉaction. 6. DÉterminerla valeur numÉrique de la constante de vitessek. Afin de dÉterminer l’ordre partiel par rapport À chacun des rÉactifs, on modifie les conditions initiales. Une expÉrience (non dÉcrite ici) est rÉalisÉe avec un large excÈs de chlorhydrineB. 7. Ecrirel’expression simplifiÉe de la loi de vitesse dans ces conditions. 8. En sachant que l’Étude de la variation de la concentration en ions hydroxyde montre − que dans cette expÉrience, la fonctionln ([OH])est une fonction affine du temps et en utilisant le rÉsultat de la question 5, indiquer quels sont les ordres partiels vis À vis de chaque rÉactif. Justifier soigneusement votre rÉponse en dÉtaillant le raisonnement.

ProblÈme 5 : Suivi cinÉtique par spectrophotomÉtrie 15 % des points

◦ On Étudie l’oxydation d’un alcÈne par le permanganate de potassium KMnO 4 C selonÀ 25 l’Équation : − M nO+alcÈne→M nO x +produit 4 On suit la rÉaction par spectrophotomÉtrie en mesurant l’absorbance de la solution À 526 nm. 1. Lalongueur d’onde choisie est celle du maximum d’absorption de l’ion permanganate. De quelle couleur est la solution de permanganate de potassium? 2. Ecrireles formes mÉsomÈres de l’ion permanganate (le manganÈse est l’atome central, on se limite aux formes respectant la rÈgle de l’octet). 3. PrÉciserla gÉomÉtrie autour de l’atome de manganÈse. 4. Quelcommentaire peut-on effectuer sur les longueurs de liaison Mn-O? − L’ion permanganate MnOet le produit MnO x sont les seules espÈces qui absorbent À cette 4 longueur d’onde. On noteraε 1 etε 2 leurs coefficients d’extinction molaire respectifs. La rÉaction, qui est totale, est rÉalisÉe avec un fort excÈs d’alcÈne par rapport À l’ion perman- ganate. Les produits de la rÉaction sont absents au dÉbut de la rÉaction.

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5. Dansl’hypothÈse d’une rÉaction d’ordre partiel Égal À 1 vis À vis de l’ion permanganate, − trouver comment la concentration de ce rÉactif MnOÉvolue au cours du temps. 4 On noteraA 0 ,A t etA ∞ les absorbances de la solution aux temps 0,tett ∞ . A t −A ∞ 6. Etablirla relation entre le rapport, la constante de vitesse apparentek app et le A 0 −A ∞ tempst. Le tableau 2 donne les valeurs de l’absorbance au cours du temps pour cette rÉaction. t(min) 013010 30∞ A 0,7310,688 0,608 0,331 0,000 Table2 – DonnÉes expÉrimentales

7. VÉrifierque l’ordre partiel de la rÉaction vis À vis de l’ion permanganate est 1 et dÉterminer la constante de vitesse apparente. DonnÉe : Le manganÈse Mn possÈde 7 Électrons de valence.

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Figure2 – Graphiques issus des donnÉes expÉrimentales

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