PCSI/Chimie Travail pour les vacances d’automne et devoir libre de chimie n°2 Le DS de chimie du samedi 9 novembre portera sur les cours d’atomistique (chapitres les atomes, la classification périodique et les molécules) et sur le cours de chimie organique (début du chapitre description des molécules organiques, TP et fiches du cahier de TP vues ensemble). Pour préparer ce DS, vous devez, après avoir retravaillé votre cours et tous les exercices traités en classe, rédiger sur feuille le devoir libre ci-dessous (sujet de DS de l’an dernier). Lors de la deuxième semaine de vacances, une correction détaillée de ce devoir sera mis en ligne sur mon site (pcsiencpb.free.fr) et vous devrez vous autocorriger (corrections et modifications à mettre en couleur, pensez à laisser de la place entre les questions pour que le travail reste propre). Votre copie corrigée devra impérativement être remise dans ma boîte aux lettres (n°75) le lundi 4 novembre. Pensez également au travail de révisions de votre cours de stéréochimie de Terminale. Le QCM n°3 qui porte sur ce thème doit être complété avant la fin des vacances. L’oxygène Extrait de la page « Oxygène » de l’élémentarium (https://www.lelementarium.fr/element-fiche/oxygene/) Sans oxygène pas de feu ! C’est ce qui se passe lorsqu’un verre est retourné sur une bougie. La flamme consomme l’oxygène de sa prison de verre, et s’éteint dès qu’elle n’en a plus. C’est Antoine Lavoisier qui identifia l’oxygène comment élément essentiel à toute combustion mettant ainsi à mal la théorie phlogistique selon laquelle le « feu » était présent dans la matière. L’oxygène devient liquide à -218°C et est tellement paramagnétique qu’un aimant suffisamment puissant peut être mis en lévitation entre ses pôles. L’oxygène est l’élement le plus abondant de la surface de la terre. Il représente 86% des océans sous forme de molécules d’eau et la moitié de la masse de la terre. Son nom vient du grec oxu signifiant acide et gennân signifiant engendrer. C’est Antoine de Lavoisier qui le baptisa ainsi pensant qu’il était présent dans tous les acides. L’oxygène est l’élément caractérisé par le numéro atomique Z = 8. 1. L’oxygène existe sous la forme de trois isotopes de nombres de masse respectifs 16, 17 et 18. Après avoir rappelé la définition du terme « isotope », préciser la composition du noyau de chacun des isotopes de l’oxygène. Savez-vous lequel est le plus stable ? 2. Etablir la configuration électronique de l’atome d’oxygène à l’état fondamental. Le diagramme énergétique sera donné ainsi que le nom et l’énoncé des trois règles d’élaboration de cette configuration. 3. Identifier les électrons de cœur et de valence de cet atome. Pour les électrons de valence, préciser la valeur des quatre nombres quantiques qui leurs sont associés. L’oxygène est situé dans la colonne 16 du tableau périodique, famille des chalcogènes. 4. Citer deux autres familles chimiques du tableau périodique. Donner deux exemples d’éléments pour chacune de ces familles. La colonne 16, tout comme les trois colonnes précédentes du tableau, n’est pas très représentative de l’idée que l’on se fait d’une famille chimique. Ces quatre colonnes sont en particulier traversées par la diagonale des métalloïdes. 5. Qu’entend-on par diagonale des métalloïdes ? Pourquoi la colonne 16 n’est donc pas l’exemple idéal pour illustrer la notion de famille chimique ? 6. Le tellure est le chalcogène de la période 5. Quelle difficulté a rencontrée Mendeleïev avec le tellure lors de la construction de son tableau périodique ? On donne pour l’élément iode Z = 53 et M = 126,90 g.mol-1 ; pour l’élément tellure Z = 52 et M = 127,60 g.mol-1. Le dernier élément de la colonne 16 est le Livermorium (Lv) synthétisé pour la première fois en l’an 2000. Son isotope le plus stable a un temps de demi-vie égal à 61 ms. 7. Déterminer le numéro atomique du Livermorium. Votre détermination s’appuiera sur le lien existant entre la position dans le tableau d’un élément et sa configuration électronique. 8. Définir le concept d’électronégativité et indiquer si l’oxygène est le plus électronégatif ou le moins électronégatif de sa famille. L’ion associé à l’atome d’oxygène est l’ion oxyde O2-. 9. Donner la configuration de cet ion à l’état fondamental. Commenter cette configuration. Le dioxygène est le corps simple stable associé à l’élément oxygène. 10. Donner la représentation de Lewis du dioxygène. 11. Dans le texte d’introduction il est indiqué que le dioxygène est fortement paramagnétique. En quoi le modèle de Lewis ne permet pas de rendre compte de cette propriété ? Un autre corps simple associé à l’oxygène est l’ozone O3. Dans les conditions usuelles, l’ozone est un gaz se caractérisant par une odeur forte (ozone, du grec ozein : sentir). 12. Proposer des représentations de Lewis pour cette molécule. On rappelle que l’ozone n’est pas cyclique. 13. Comparer les longueurs des deux liaisons O-O de la molécule d’ozone. 14. Prévoir la géométrie de la molécule d’ozone à l’aide de la méthode VSEPR dont le principe sera rappelé en deux lignes. L’ozone est un oxydant puissant. Il peut être utilisé dans le traitement de l’eau par exemple pour éliminer le fer présent sous la forme d’ions Fe2+ : sous l’action de l’ozone les ions Fe2+ sont oxydés en ions Fe3+, ces derniers sont alors facilement éliminés par précipitation et filtration. 15. Donner la configuration électronique des ions Fe2+ et Fe3+. On donne le numéro atomique du fer : Z = 26. Même si l’oxygène n’est pas indispensable à l’obtention des acides, comme le pensait Lavoisier, c’est un élément présent dans de nombreux acides. Un exemple est l’acide sulfureux de formule H2SO3. 16. Proposer une représentation de Lewis pour cet acide (S central, H liés à O). L’acide sulfureux est un diacide de bases conjuguées HSO3- et SO32-. 17. Proposer des représentations de Lewis pour ces deux ions. 18. Pour les trois espèces précédentes, comparer les longueurs de liaisons S-O. 19. Prévoir la géométrie de ces trois espèces (acide sulfureux et ses deux bases conjuguées). 20. Question bonus : à quel siècle a vécu Lavoisier ? L’aspirine On s’intéresse dans cet exercice à la synthèse de l’aspirine à partir d’acide salicylique et d’anhydride éthanoïque selon la réaction d’équation : O O O OH O O OH + O + OH O OH O Données : 1. Donner le nom de tous les groupes fonctionnels présents dans les molécules participant à la réaction. 2. Combien l’aspirine présente-t-elle d’insaturations ? 3. A quoi se réfèrent les notations de la dernière colonne du tableau de données ci-dessus ? On donne ci-dessous un extrait du protocole de synthèse de l’aspirine proposé à un examen des BTS chimie : Dans un réacteur de 100 mL correctement équipé, introduire successivement une masse m1 d’acide salicylique sec et 6 mL d’anhydride éthanoïque. Ajouter 2 gouttes d’acide sulfurique concentré. Agiter. Chauffer le mélange en maintenant la température entre 50 et 60° pendant 25min. Sans attendre le refroidissement, verser par le haut du réfrigérant 15 mL d’eau froide par petites portions puis 25 mL d’eau glacée. Maintenir dans la glace jusqu’à cristallisation complète. 4. Sachant que l’acide salicylique est le réactif limitant de cette synthèse, déterminer la masse m1 minimale à utiliser si l’on souhaite obtenir 3,6 g d’aspirine. 5. Proposer un schéma clair et légendé du montage à réaliser pour la synthèse. 6. Pourquoi l’addition d’eau froide à l’issue de la synthèse provoque-t-elle une cristallisation ? 7. Quelle sera la suite du protocole permettant de récupérer l’aspirine brute ? Proposer un schéma. 8. Comment l’aspirine brute obtenue peut-elle être purifiée ? Proposer un solvant. Isomérie Dessiner dans la représentation de votre choix, une paire d’isomères de constitution, une paire de stéréoisomères de configuration et une paire de stéréoisomères de conformation.
