Collège des Saints Cœurs Sioufi Examen final, mai 2011 Classe : 3e Durée : 60 minutes Chimie Cette épreuve est constituée de trois exercices. Elle comporte deux pages numérotées 1/2 et 2/2. L’usage de la calculatrice n’est pas autorisé. Premier exercice : Les composés oxygénés (6,5 points) L’oxygène O est un élément casé dans la 2e période et dans le groupe VI du tableau périodique. Métaux et non-métaux établissent des liaisons chimiques avec l’oxygène. On retrouve cet élément dans un grand nombre d’espèces chimiques, principalement dans le dioxygène de l’air (O2). 1. Déterminer le numéro atomique de l’oxygène. Donner la représentation de Lewis de l’atome d’oxygène. Préciser la nature chimique de cet élément (métal ou non-métal). 2. Le sodium Na (Z = 11) réagit avec le dioxygène pour former un composé ionique : l’oxyde de sodium. a. Expliquer la formation de l’ion sodium et de l’ion oxyde à partir des atomes de sodium et d’oxygène. Donner la formule de chaque ion. b. Écrire la formule ionique et la formule statistique de l’oxyde de sodium. 3. Le carbone C, élément du groupe IV, réagit avec le dioxygène pour former la molécule de dioxyde de carbone. a. Expliquer la liaison chimique établie entre le carbone et l’oxygène. b. Donner la formule structurale et la formule moléculaire du dioxyde de carbone. c. L’augmentation de la concentration du dioxyde de carbone dans l’atmosphère est responsable d’un problème de pollution. Donner le nom de ce problème et citer ses effets. 4. Le dioxyde d’azote (NO2) est un gaz polluant nuisible à la santé de l’Homme et à la nature. En présence de l’ozone, ce gaz réagit avec l’eau des nuages pour donner un acide fort rendant les pluies acides. Proposer une solution au problème des pluies acides. Deuxième exercice : Fonctionnement d’une pile électrochimique (6,5 points) On dispose du matériel suivant : - deux béchers ; - une lame d’argent ; - une lame d’aluminium ; - une solution contenant des ions Al3+ ; - une solution contenant des ions Ag+ ; - un pont salin ; - un ampèremètre ; - des fils de connexion. 1. Les tendances des deux métaux (argent et aluminium) à perdre des électrons sont classées par ordre croissant sur l’axe suivant : Ag Al | | Ordre croissant de la tendance à perdre des électrons 1/2 On désire construire une pile électrochimique avec le matériel cité. Préciser, dans cette pile, la nature de chaque électrode : anode et cathode. 2. Schématiser le montage réalisé et annoter le schéma. Indiquer sur le schéma le sens de déplacement des électrons. 3. Nommer le phénomène qui se déroule au niveau de chaque électrode et écrire la demi-équation électronique correspondante. Déduire l’équation-bilan de la réaction de fonctionnement de la pile réalisée. 4. Nommer l’oxydant et le réducteur dans la réaction de fonctionnement de cette pile. 5. Donner la représentation schématique de la pile. 6. Au bout d’un certain temps, la masse de la lame d’aluminium varie : cette variation correspond à une quantité de matière de 0,2 mole. Sachant que la masse molaire atomique de l’aluminium est : M = 27 g/mol, calculer la variation de masse de la lame d’aluminium. Préciser si cette variation est une augmentation ou une diminution. Troisième exercice : Les composés organiques (7 points) On considère les composés organiques représentés par leurs formules structurales semi-développées dans le tableau suivant. Composés organiques A B C D Formules CH3 – CH2 – CH2 – CH3 CH2 = CHCl CH ≡ CH CH3 – COOH 1. Donner le nom de chacun des quatre composés organiques. 2. Pour chacun des composés (C) et (D) : - donner le nom de la famille à laquelle il appartient ; - nommer son groupe fonctionnel. 3. Le composé (B) subit une polymérisation par addition. Écrire, en utilisant les formules semidéveloppées, l’équation-bilan de la polymérisation de (B) et donner le nom du polymère obtenu. 4. Le composé (A) donne, par reformage, un autre isomère. Écrire la formule semi-développée de cet isomère et donner son nom. Trouver la formule brute (moléculaire) de ces deux isomères. 5. Le craquage d’une molécule de (A) donne une molécule de méthane et une molécule d’un hydrocarbure (E) de formule CxHy. Écrire l’équation-bilan de ce craquage. Déterminer la formule moléculaire de (E). 6. Le méthane réagit avec le dichlore en présence de lumière diffuse pour donner deux produits : le chlorométhane et le chlorure d’hydrogène. Écrire l’équation-bilan de la réaction et donner le nom de ce type de réaction. BON TRAVAIL ! 2/2 Classe de 3e Examen final, mai 2011 Chimie Corrigé Barème Premier exercice : Les composés oxygénés (6,5 points) 1. Numéro atomique et nature de l’oxygène La période correspond au nombre de niveaux d’énergie de l’atome d’un élément et le groupe correspond au nombre d’électrons de valence de cet atome. Ainsi, l’atome d’oxygène a 3 niveaux d’énergie (3e période) et 6 électrons de valence (groupe VI). Sa configuration électronique est : K2 L6. L’atome d’oxygène a 8 électrons, donc il a 8 protons puisqu’il est électriquement neutre. On déduit que le numéro atomique de l’oxygène, qui représente le nombre de protons, est : Z = 8. La représentation de Lewis de l’atome d’oxygène est O (Il a 6 électrons périphériques). Puisque l’oxygène est dans le groupe VI, à droite du tableau périodique ; donc c’est un non-métal. 2. Réaction entre le sodium et le dioxygène a. L’atome de sodium, électriquement neutre, a 11 protons (Z = 11) et 11 électrons. Sa configuration électronique est : K2 L8 M1. Pour devenir saturé, l’atome Na cède son électron périphérique et devient un cation de formule Na+ : c’est l’ion sodium. Pour accomplir son octet périphérique, l’atome O gagne 2 électrons et devient un anion de formule O2- : c’est l’ion oxyde. b. L’oxyde de sodium, composé ionique formé entre les ions sodium et oxyde, a pour formule ionique (2 Na+ ; O2-) et pour formule statistique Na2O. 3. Réaction entre le carbone et le dioxygène a. Le carbone est un élément du groupe IV, donc l’atome de carbone possède 4 électrons de valence. Cet atome a besoin de 4 électrons pour accomplir son octet périphérique alors que l’atome d’oxygène en a besoin de 2. Un atome de carbone met alors en commun 2 de ses 4 électrons célibataires avec les deux électrons célibataires d’un atome d’oxygène. Il s’établit donc deux liaisons covalentes doubles entre un atome de carbone et deux atomes d’oxygène. b. La formule structurale de la molécule de dioxyde de carbone est O = C = O et sa formule moléculaire est CO2. c. L’augmentation de la concentration du dioxyde de carbone dans l’atmosphère est responsable de l’effet de serre. L’effet de serre provoque l’augmentation de la température moyenne de la Terre entraînant la fonte des glaciers et l’immersion des terres fermes. 4. Solution au problème des pluies acides Pour éviter la formation des pluies acides, il faudrait réduire les rejets de gaz acides en désulfurant les combustibles et en utilisant des fuels pauvres en soufre et en azote. 1 pt ¼ pt ½ pt ¾ pt ½ pt ¾ pt ¾ pt ¾ pt ¾ pt ½ pt Deuxième exercice : Fonctionnement d’une pile électrochimique (6,5 points) 1. Nature des électrodes dans la pile électrochimique construite D’après l’axe, la tendance de l’aluminium à perdre des électrons est plus grande que celle de l’argent. Or, dans une pile électrochimique, le métal constituant l’anode a une tendance à perdre des électrons plus grande que le métal constituant la cathode. On en déduit alors que la lame d’aluminium constitue l’anode de la pile et la lame d’argent constitue la cathode. ¾ pt 2. (Page suivante) 3. Demi-équations électroniques et équation-bilan À l’anode, il y a oxydation des atomes d’aluminium. La demi-équation correspondante est : Al → Al3+ + 3 eÀ la cathode, il y a réduction des ions argent Ag+. La demi-équation correspondante est : Ag+ + e- → Ag ou 3 Ag+ + 3 e- → 3 Ag Équation-bilan : Al + 3 Ag+ → Al3+ + 3 Ag ¾ pt ¾ pt ½ pt 1/2 Corrigé Barème 2. Schéma annoté du montage réalisé Fil de connexion Ampèremètre A e- Pont salin - + Lame d’aluminium (anode) Solution contenant des ions Al3+ Lame d’argent (cathode) 1 pt ¼ Solution contenant des ions Ag+ 4. Oxydant et réducteur Dans la réaction de fonctionnement de la pile : - l’ion Ag+ est réduit (il gagne un électron), donc il est l’agent oxydant ; - l’atome Al est oxydé (il perd 3 électrons), donc il est l’agent réducteur. ½ pt ½ pt 5. Représentation schématique de la pile Al - Ag Al/Al3+ - pont salin - Ag+/Ag ou Al/Al3+ | | Ag+/Ag ½ pt 6. Variation de masse de la lame d’aluminium La variation de masse (m) est le produit de la quantité de matière (n) par la masse molaire (M) : m = n x M = 0,2 x 27 = 5,4 g. La variation de masse est donc de 5,4 g. Cette variation est une diminution. En effet, les atomes d’aluminium oxydés deviennent des ions Al3+ qui tombent dans la solution. Ainsi, la lame d’aluminium est rongée et sa masse diminue. ½ pt ½ pt Troisième exercice : Les composés organiques (7 points) 1. Noms des composés organiques (A) : butane ou n-butane ; (B) : chloroéthène ou chlorure de vinyle ; (C) : éthyne ou acétylène ; (D) : acide éthanoïque ou acide acétique. 2. Familles et groupes fonctionnels des composés (C) et (D) L’éthyne (C) est un alcyne car il répond à la formule générale CnH2n-2. Son groupe fonctionnel est la liaison triple C ≡ C. L’acide éthanoïque (D) est un acide carboxylique car il répond à la formule générale R – COOH. Son groupe fonctionnel est le groupe carboxyle – COOH. 1 pt ¾ pt ¾ pt 3. Équation de polymérisation du chloroéthène (B) n (CH2 = CHCl) → ( CH2 – CHCl ) n Le produit obtenu est le polychloroéthène ou le polychlorure de vinyle (PVC). ¾ pt ¼ pt 4. Reformage du butane (A) L’isomère du butane est le 2-méthylpropane. Sa formule semi-développée est représentée ci-contre. La formule brute de ces deux isomères est C4H10. 1 pt CH3 – CH – CH3 CH3 5. Craquage du butane (A) L’équation-bilan de la réaction de craquage du butane est la suivante : C4H10 → CH4 + CxHy La loi de conservation de la matière dans une réaction chimique permet d’écrire : x + 1 = 4 ; d’où : x = 4 – 1 = 3 y + 4 = 10 ; d’où : y = 10 – 4 = 6 La formule moléculaire du composé (E) est donc C3H6. 6. Chloration du méthane L’équation-bilan de la chloration du méthane est la suivante : CH4 + Cl2 → CH3Cl + HCl Ce type de réaction est une substitution (remplacement d’un atome H par un atome Cl). ½ pt ¼ pt ¾ pt ¾ pt ¼ pt 2/2
