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.
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- redaction
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
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PCSI - Lyce Brizeux - Quimper
DS 02 - 16 octobre 2010
Devoir surveillÉ de chimie n˚2
– Ce sujet comporte 7 pages, numrotes de 1 À 7. Le candidat est pri de vrifier qu’il possde un sujet complet avant de commencer À composer. – Le candidat attachera la plus grande importance À la clart, À la prcision et À la concision de la rdaction. – Si un candidat est amen À reprer 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 rponse devra tre clairement justifie. – Ce sujet comporte 6 parties indpendantes, au sein desquelles il existe des sous-parties indpendantes. Il y a de plus un exercice bonus, plus complexe, auquel il convient de s’intresser en dernier lieu. – Le sujet comporte en page 7 un document rponse pour le problme 6. Ce document est À rendre, mme si le candidat ne traite pas le problme 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-prature qui pose de nombreux problmes en matire d’environnement. L’oxydation de NO par l’oxygne de l’air produit le dioxyde d’azote NO2qui est À l’origine des pluies acides. De plus NO est un catalyseur de la raction O3+ O→2 O2qui contribue À l’accroissement du "trou d’ozone". Par consquent, 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 problme est d’aborder divers aspects de la raction de rduction par CO de NO en monoxyde de diazote N2O catalyse par un complexe du palladium. 1. Donner les configurations lectroniques À l’tat fondamental de N et O. 2. Rappeler la dfinition de l’lectrongativit. Nommer deux chelles d’lectrongativit couramment utilises. 3. Justifier qualitativement la diffrence d’lectrongativit entre N et O. 4. Proposer une structure de Lewis pour NO. Pourquoi cette molcule se dimrise-t-elle facilement ? 5. Proposer une ou plusieurs structure(s) de Lewis pour N2O compatible(s) avec le rsultat de la question 2. (O n’est li qu’À un seul atome d’azote). Quelle est la gomtrie 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 synthtis pour la premire fois par le chimiste sudois C.W. Scheele en 1774. Ce dernier le prit pour un corps compos et l’appela "air acide marin dphlogistiqu". 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 trs irritant pour les poumons.
1. Quelques dfinitions (a) OÙ est situ l’lment chlore dans la classification priodique ? (b) Dfinir 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 g∙et le chlore 37, de masse molaire atomiquemol , −1 M2= 37,0 g∙La masse molaire atomique du chlore naturel vaut M = 35,5mol . −1 g∙En dduire 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 aprs avoir rappel les rgles qui doivent tre utilises pour cela. ii. Quels nombres d’oxydation (charge des ions stables) peut-on prvoir pour le chlore ? 3. La molcule 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 temprature et de pression, le dichlore est un gaz vert. Cette couleur est due À l’absorption de certaines radiations de la lumire. 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 composs contenant l’lment chlore (a) Ètablir la reprsentation de Lewis des espces polyatomiques suivantes dont l’atome central est reprsent 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) Dterminer, À l’aide de la mthode VSEPR, la gomtrie 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 rponse.
Tristan Ribeyre [ribeyre@cpge-brizeux.fr]
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(d) Formes msomres − i. Ècrire les formules msomres les plus contributives de l’ion chloriteCldeO et 2 − l’ion chlorateClO . Dans les formules de ces ions, l’atome central est reprsent 3 en gras. ii. Pourquoi les distances chlore – oxygne sont-elles identiques dans l’ion chlorite ? Cette distance sera note d1. Pourquoi les distances chlore – oxygne sont-elles identiques dans l’ion chlorate ? Cette distance sera note d2. iii. Comparer les longueurs des liaisons chlore – oxygne d1et d2. Justifier.
ProblÈme 3 : Classification pÉriodique et propriÉtÉs chimiques Energie d’ionisation au sein de la troisiÈme pÉriode −1 Les nergies de premire ionisation EI1(en kJ∙des lments 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
Dfinir l’nergie de premire ionisation pour un atome. Justifier l’volution gnrale de ces valeurs et discuter les anomalies apparentes.
Pouvoir oxydant des dihalogÈnes On cherche À classer les dihalognes par pouvoir oxydant croissant. 1. Rappeler la configuration lectronique de valence des halognes. 2. Quelle molcule simple ont-ils tendance À former ? Ecrire sa structure de Lewis. Pour pouvoir interprter plus aisment les rsultats, une exprience prliminaire est excute. On dispose de trois solutions aqueuses de dihalognes, nots de manire gnrique 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 molcule. 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 rgle simple qui dfinit si deux corps se mlangent ou non est : "qui se ressemble s’as-semble". D’aprs le commentaire effectu sur la polarit des deux molcules prcdentes, sont-elles miscibles ou non ? Le tableau 1 indique les couleurs observes pour chacune des phases avant et aprs agitation. 7. Au vu des diffrences de couleurs, quel est l’intrt 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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Dihalogne Couleur de la phase aqueuse avant agitation Couleur de la phase organique avant agitation Couleur de la phase aqueuse aprs agitation Couleur de la phase organique aprs agitation
Dichlore Vert Incolore Incolore Vert
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Dibrome Orange Incolore Incolore Orange
Table1 – Couleurs observes avant et aprs agitation
On ralise une srie de on ajoute de l’heptane. dans le tableau 2.
mlanges d’ions halognure et de dihalognes On note la couleur de l’heptane observe. 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 rsultats sont rcapituls
Diiode Violet Violet Violet
Table2 – Couleur de la phase organique observe aprs agitation
− 9. Ecrire les demi-quations d’oxydorduction associes aux couples X2= Cl, Br, I)./X (X 10. Ecrire les quations de ractions susceptibles de se produire dans chacun des 9 tubes À essais prcdents. 11. Indiquer celles qui se produisent rellement. 12. En dduire un classement des dihalognes par pouvoir oxydant croissant, ainsi que des halognures par pouvoir rducteur croissant. 13. Relier le classement prcdent À l’lectrongativit des lments tudis. Ce rsultat vous semble-t-il cohrent ? 14. En dduire la position du difluor dans le classement prcdent.
ProblÈme 4 : Test d’identification de la propanone La propanone ragit avec une solution de 2,4-DNPH (2,4-dinitrophnylhydrazine) pour donner un prcipit jaune-orang de 2,4-dinitrophnylhydrazone. Ce prcipit, une fois recristallis dans de l’thanol, a une temprature de fusion qui permet de caractriser la propanone. 1. L’hydrazine a pour formule NH2-NH2. Prvoir la gomtrie VSEPR de chacun des atomes d’azote. En dduire la gomtrie VSEPR de l’hydrazine sachant que cette molcule est polaire. 2. Rappeler la formule topologique de la propanone. 3. A quelle famille chimique appartient cette molcule ? 4. Pourquoi n’est-il pas ncessaire d’indiquer la position de la fonction dans le nom "propa-none" ? 5. Quel est l’intrt de recristalliser la 2,4-dinitrophnylhydrazone avant de mesurer sa tem-prature 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’intresse À la raction d’quation-bilan :
H2SO4(cat.) GGB CH3COOH+CH3CH2CH2CH2CH2OHFGGGGGGGGGGGGGGGGGCH3COOCH2(CH2)3CH3+H2O | {z } A 1. D’aprs la thorie VSEPR, quelle est la gomtrie de chacun des atomes de carbone au sein du premier ractif ? 2. Reprsenter les structures de Lewis des ractifs et des produits. Les nommer. Donner les familles chimiques auxquelles ils appartiennent le cas chant. Dans quel compos de la vie quotidienne trouve-t-on le premier ractif ? 3. Quel est le nom donn À cette raction ? Rappeler brivement ses caractristiques. 4. En dduire les espces prsentes À la fin de la raction. 5. On souhaite isoler le composA, produit de la raction diffrent de l’eau. Pour cela on procde en plusieurs tapes. (a) Le milieu ractionnel final est biphasique. Donner une mthode pour sparer ces deux phases liquides. Faire un schma explicatif. (b) On conserve seulement la phase organique. On y ajoute une solution sature de carbonate de sodium Na2CO3. i. Donner la formule brute de l’ion carbonate. ii. Ecrire ses formes msomres (l’atome de carbone est l’atome central). iii. Est-ce un acide ou une base ? iv. On observe un dgagement gazeux. Quelle est sa nature ? v. Pourquoi effectue-t-on cette tape ? (c) Le milieu tant À nouveau biphasique, on recueille par la mme mthode que prc-demment la phase organique. On y ajoute du sulfate de magnsium anhydre MgSO4. i. Donner la formule brute de l’ion sulfate. ii. Ecrire les formes msomres les plus contributives (au nombre de 6). iii. Quel est l’intrt de cette tape ? Comment est-elle appele ? iv. Quelle doit tre l’tape suivante pour obtenir le composAseul ? Quelles sont les natures des phases À sparer ? 6. Proposez une technique de purification du composA.
ProblÈme 6 : De la reprÉsentation des molÉcules On s’intresse au 2-chloro-3-phnylbutane. 1. Donner sa formule topologique. 2. Complter le tableau fourni en annexe. On veillera À projeter selon l’axe de la liaison C2-C3, la numrotation des atomes de carbone tant celle de la nomenclature, en regardant les reprsentations 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 dfinition du moment dipolaire d’une liaison covalente. 4. En dduire la polarisation des liaisons carbone-carbone, carbone-hydrogne et carbone-chlore. 5. Indiquer la nature de la ou des liaison(s) qui contribuera(ront) le plus au moment dipolaire total. 6. Reprsenter le moment dipolaire total À cÔt de la premire reprsentation de Cram. 7. Combien de molcules diffrentes sont reprsentes dans le tableau ? (on rappelle qu’il y a libre rotation autour des liaisons simples.) Donnes :χP;(H) = 2,20 χP(C) = 2,55 ;χP(Cl) = 3,16.
ProblÈme bonus : Des effets Électroniques Les structures de Lewis du benzne et de quelques-uns de ses drivs sont reprsents en figure 1. 1. Rappeler quels sont les deux types d’effets lectroniques. 2. Pour chacun des drivs, prciser si le cycle est plus ou moins riche en lectrons que celui du benzne. Justifier soigneusement votre rponse. 3. Quels sont les cycles les plus nuclophiles ?
Figure1 – Benzne et quelques drivs
Tristan Ribeyre [ribeyre@cpge-brizeux.fr]
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Nom :
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Document rÉponse pour le problÈme 6 - A rendre obligatoirement
Reprsentation de Cram
Tristan Ribeyre [ribeyre@cpge-brizeux.fr]
Projection de Newman
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