EXERCICE I. UNE PISCINE NATURELLE

Module de révision n°4
Phy-Chi TS
Le cours en question :
1.
2.
3.
4.
5.
6.
Citer deux facteurs cinétiques
Qu’est-ce qu’un catalyseur ?
Définir le temps de demi-réaction
Faire un schéma expliquant le principe de la protection d’une fonction chimique.
Quelles doivent être les caractéristiques d’une réaction support de dosage ?
Définir le Ka d’un couple acide/base
Applications au annales de BAC S
EXERCICE I. UNE PISCINE NATURELLE CHAUFFÉE (8 points)
Les piscines naturelles ont une structure de construction
habituelle mais, contrairement aux piscines classiques,
l’eau ne subit pas de traitement chimique. Le système de
filtration est assuré par une zone réservée à la végétation,
dont la surface est au moins égale à la zone de baignade
pour un meilleur équilibre écologique.
D’après le site www.piscine.comprendrechoisir.com
1. Étude du fluide caloporteur d’un chauffe-eau solaire
La baignade est plus confortable si l’eau de la piscine est chauffée. L’une des
solutions possibles est d’installer un chauffe-eau solaire, système qui permet de
produire de l’eau chaude grâce à l’énergie solaire.
Le fluide caloporteur qui circule dans le capteur solaire est un mélange d’eau et de
mono propylène glycol, c’est un antigel, dont le nom en nomenclature officielle est
propane-1,2-diol et dont la formule topologique est la suivante :
Schéma de fonctionnement du chauffe-eau solaire
D’après le site www.vertener.fr
1.1.
Quel est le mode principal de transfert thermique mis en jeu entre le capteur
solaire (1) et le milieu extérieur ?
En déduire la fonction de la chaudière d’appoint.
1.2.
Quel est l’intérêt pour le chauffe-eau solaire d’intégrer du mono propylène
glycol dans la composition du fluide caloporteur ?
Justifier le nom donné, en nomenclature officielle, au mono propylène glycol.
1.3.
1.4.
Justifier le fait que la molécule de mono propylène glycol possède plusieurs
stéréoisomères.
Donner la représentation de Cram de ces stéréoisomères et préciser le type
de stéréoisomérie qui les lie. Ces stéréoisomères sont-ils chiraux ?
Comment réaliser un mélange racémique ?
1.5.
Déterminer le nombre de signaux que cette molécule présenterait en
spectroscopie RMN du proton, ainsi que la multiplicité de ces signaux.
On admettra que les protons des groupes –OH donnent le même signal et ne
se couplent pas avec les autres protons de la molécule.
2. Traitement de l’eau de la piscine
La technique de traitement de l’eau de piscine naturelle utilise les bactéries présentes
dans le système racinaire des plantes pour épurer l’eau ; il s’agit d’une phytoépuration. Les espèces végétales sont ainsi soigneusement sélectionnées pour
absorber des polluants tels que les ions nitrate et phosphate. Une pompe de
circulation assure le déplacement de l’eau à travers la zone de filtration naturelle.
Schéma d’un système de phyto-épuration
eaux à
purifier
D’après le site www.bleu-vert.fr
On se propose de tester l’efficacité d’un système de phyto-épuration de ce type, en
réalisant un dosage de l’azote total de la matière organique contenue dans les eaux
épurées à la sortie du dernier bassin.
On prélève un échantillon d’eau de volume Vech = 20,0 mL à la sortie du dernier bassin
et on met en œuvre le protocole de dosage de l’azote total par la méthode de Kjehldal.
Le volume d’acide chlorhydrique versé à l’équivalence est VE = 10,3 mL.
Protocole simplifié de dosage de l’azote total Kjeldahl
Minéralisation :
La transformation chimique se fait à une température de 421°C en présence de sulfate
de cuivre avec un excès d’acide sulfurique. L’azote contenu dans la matière
organique test dégradé sous forme d’ions ammonium NH4+(aq).
Distillation :
Un excès de soude est introduit dans le mélange obtenu après minéralisation pour
amener le pH de la solution à 12 et transformer les ions ammonium NH 4+(aq) en
molécules d’ammoniac NH3(aq), qui sont entrainées par la vapeur d’eau lors d’une
distillation.
Titrage :
Le titrage de l’ammoniac NH3(aq) présent dans le distillat est réalisé par une solution
d’acide chlorhydrique (H3O+(aq) + Cl–(aq)), de concentration molaire Cac égale à 2,0×10–
3 mol.L-1, jusqu’au virage d’un indicateur coloré bien choisi.
Données
- Numéros et masses molaires atomiques de quelques atomes :
H
N
Z
1
7
-1
M (g.mol )
1,0
14
- pKa de quelques couples acido-basiques à 25°C :
H2O(l) / HO–(aq) : 14
H3O+(aq) / H2O(l) : 0
9,2
O
8
16
NH4+(aq) / NH3(aq) :
- Zones de virage de quelques indicateurs colorés :
Indicateur
pKa
Couleur acide
Orange de méthyle
Vert de bromocrésol
Rouge de méthyle
Bleu de bromothymol
Rouge de phénol
Phénolphtaléine
3,7
4,4
5,1
7,0
7,9
9,4
rouge
jaune
jaune
jaune
jaune
incolore
Zone de
virage
3,2 – 4,4
3,8 – 5,4
4,8 – 6,0
6,0 – 7,6
6,8 – 8,4
8,2 – 10,0
Couleur
basique
jaune
bleu
rouge
bleu
rouge
violet
- Normes européennes de rejets pour les eaux résiduaires :
Matière en suspension (MES) < 35 mg.L-1
Demande chimique en oxygène (DCO) < 125 mg d’oxygène dissous
Demande biologique en oxygène sous 5 jours (DBO5) < 25 mg d’oxygène
dissous au bout de 5 jours
L’azote total Kjeldahl (NtK) : masse totale d’azote N < 20 mg.L-1
2.1.
D’après le site www.recycleau.
Quelle propriété les transformations chimiques mises en jeu dans la méthode
de Kjeldhal doivent-elles toutes avoir pour que l’on puisse doser l’intégralité
de l’azote présent dans l’échantillon ?
2.2.
Justifier le fait que NH4+(aq) et NH3(aq) forment un couple acide-base et préciser
quelle est la forme acide et quelle est la forme basique.
2.3.
Lors de l’étape de distillation du protocole simplifié de dosage de l’azote total
Kjeldahl, pourquoi un pH égal à 8 pourrait-il ne pas convenir ?
2.4.
Le suivi pH-métrique du titrage de l’ammoniac par l’acide chlorhydrique dans
des conditions analogues, conduit au tracé du graphe représenté ci-dessous.
2.4.1. Quelle est l’espèce majoritaire dans le becher au début du titrage ?
Même question à la fin du titrage.
2.4.2. En déduire l’équation de la réaction chimique support du titrage.
2.4.3. Citer un indicateur coloré à utiliser dans la méthode de Kjeldahl.
Justifier.
2.5.
L’eau résiduaire est-elle conforme aux normes européennes en ce qui
concerne l’azote total Kjeldahl ?
Le candidat est évalué sur ses capacités à concevoir et à mettre en œuvre une
démarche de résolution.
Exercice II – L’estérification (8 points)
Les esters sont des composés organiques, souvent à l'origine de l’arôme naturel des fruits. À côté de
leur production naturelle, ils sont aussi synthétisés pour satisfaire les besoins de l'industrie
agroalimentaire, de la parfumerie et d’autres secteurs industriels.
Le butanoate d’éthyle est par exemple, un ester à l’odeur d’ananas, l’éthanoate de propyle rappelle
l’odeur de la poire …
L'estérification est une transformation chimique au cours de laquelle un ester, de formule générale R1
– COO – R2, est obtenu par réaction entre un acide carboxylique R1 – COOH et un alcool R2 – OH. Il se
forme aussi de l’eau selon l’équation :
L’oxygène marqué O* de l’alcool est celui qu’on retrouve généralement dans l’ester.
Cet exercice aborde l’étude du mécanisme de la synthèse de l’éthanoate de butyle, celle de sa
synthèse expérimentale puis de son identification.
1. Mécanisme .
Aspect macroscopique
1.1.
Nommer et donner la formule semi-développée des deux réactifs de la réaction cidessus, conduisant à la formation de l’éthanoate de butyle.
1.2.
Indiquer si la réaction d’estérification est une réaction de substitution, d’addition ou
d’élimination. Justifier.
Aspect microscopique
Données : L’électronégativité traduit la capacité d’un atome à attirer à lui les électrons d’une liaison
dans laquelle il est engagé. L’atome d’oxygène O est beaucoup plus électronégatif que l’atome de
carbone C. Les électronégativités du carbone et de l’hydrogène H sont en revanche, voisines.
1.3.
Identifier pour chacun des réactifs un site donneur ou un site accepteur de doublet
d’électrons puis proposer une première étape pour le mécanisme de formation de
l’ester.
2. Synthèse.
Données :
Composé
Acide utilisé
Alcool utilisé
Ester obtenu
Masse volumique (g.mL1)
1,05
0,81
0,89
Propriété
Acide
Acidité quasi nulle
Acidité nulle
Masse molaire (g.mol-1)
60
74
102
Miscibilité dans l’eau
importante
faible
très faible
importante
importante
importante
Miscibilité dans le
dichlorométhane
Pictogramme
L’éthanoate de butyle peut être synthétisé dans un laboratoire de lycée en suivant le protocole
expérimental décrit ci-après. Les étapes du contrôle cinétique sont également exposées.
Étape 1 :

Au regard des pictogrammes des différentes espèces
chimiques à manipuler, prendre les précautions
nécessaires.

Placer deux flacons, l’un contenant l’acide et l’autre
l’alcool, dans un bain d’eau froide. Préparer le montage cicontre.
Réaliser
le
mélange
en
versant
28 mL d’acide, 44,8 mL d’alcool et quelques grains de pierre
ponce dans le ballon bicol. Placer ce ballon dans un bain
d’eau froide.

Remplir une burette graduée avec une solution
d’hydroxyde de sodium (Na(aq)HO(aq) ).

Placer sept béchers dans un bain d’eau glacée, y introduire
30 mL d’eau distillée et quelques gouttes de
phénolphtaléine.
Montage pour l’estérification
Étape 2 :

Retirer le ballon du bain d’eau froide, l’essuyer, et y ajouter avec précautions, quelques gouttes
d’une solution d’acide sulfurique ( 2H3O+(aq) + SO42(aq)).

Insérer le ballon dans le montage et fixer la température de chauffage à θ = 20°C.

Déclencher le chronomètre, prélever aussitôt 5 mL du mélange réactionnel, refermer le bicol,
placer ce prélèvement dans un des béchers situés dans le bain d’eau glacée.
Étape 3 :

Réaliser le titrage du prélèvement par la solution aqueuse d’hydroxyde de sodium, jusqu’au
virage de la phénolphtaléine. Noter le volume de solution aqueuse d’hydroxyde de sodium
versée.
Étape 4 :

Faire six autres prélèvements et dosages successifs aux dates t = 3 min, puis
6 min, 12 min, 25 min, 60 min et 90 min.
Étape 5 :

Reproduire les étapes 1, 2, 3 et 4 selon les variantes 1, 3, 4 et 5 décrites ci-dessous.
 variante 1 :
θ = 20°C (pas de chauffage) sans ajout d’acide sulfurique,
 variante 2 :
θ = 20°C (pas de chauffage) et ajout d’une solution d’acide
sulfurique,
 variante 3 :
θ = 50°C (thermostat 5) sans ajout d’une solution d’acide
sulfurique,
 variante 4 :
θ = 50°C (thermostat 5) avec ajout d’une solution d’acide
sulfurique,
 variante 5 :
θ = 50°C (thermostat 5) avec ajout d’une solution d’acide
sulfurique et excès de butan-1-ol (V = 80 mL).
Analyse du protocole
2.1. Justifier la constitution du montage utilisé pour réaliser l’estérification.
2.2. Proposer une explication justifiant l’utilisation de bains d’eau froide et d’eau glacée.
2.3. À partir du mélange initial, déterminer la quantité maximale d’ester que l’on pourrait obtenir
si la réaction était totale.
Titrage des prélèvements
Données :

Couples acide/base mis en jeu :
CH3CO2H(aq) /CH COO–(aq) ; H3O+(aq) / H2O ; H2O / HO(aq)

La phénolphtaléine est un indicateur coloré acido-basique de fin de réaction utilisé pour tout
titrage d’un acide avec les ions hydroxyde HO, l’équivalence correspond au virage de
l’indicateur (passage de l’incolore à une coloration rose).

Pour les variantes 2, 4 et 5, on considérera que la quantité d’acide sulfurique présent dans le
prélèvement est négligeable devant celle de l’acide éthanoïque.
2.4. Expliquer de manière concise les deux affirmations suivantes (aucune valeur n’est attendue) :
 La solution d’hydroxyde de sodium permet de doser l’acide éthanoïque.
 Le titrage de l’acide éthanoïque par la solution d’hydroxyde de sodium permet de
déterminer la quantité d’ester formée.
Exploitation des résultats
Les résultats expérimentaux obtenus sont représentés sur le graphique suivant :
2.5. À la lecture du graphique, quels arguments permettent de justifier les affirmations suivantes ?
la température influence l’évolution temporelle d’une réaction chimique,
un catalyseur influence aussi cette évolution,
l’excès d’un réactif permet d’obtenir davantage d’ester.
3. Extraction, purification et identification
Le reste du mélange réactionnel contenu dans le ballon est versé dans une ampoule à décanter, puis
lavé par différentes solutions aqueuses. On récupère la phase organique.
Des techniques de rectification et de purification, non décrites ici, permettent d’obtenir un titre en
ester dans la phase organique finale, proche de 99%.
L’analyse par spectroscopie RMN du proton d’un échantillon préparé selon le protocole précédent,
permet d’accéder à sa formule développée.
En analysant l’environnement chimique de chaque groupe de protons équivalents de la molécule,
indiquer la multiplicité des signaux provenant des atomes d’hydrogène portés par les différents
atomes de carbone.
Formule semi-développée de l’éthanoate de butyle