Exercice N°14 - Ecole sur le Web

Exercice N°14 :
Que ’est-ce qu’un système chimique ?
1. Identifier une transformation :
Parmi les transformations suivantes, distinguer celles qui sont physiques de celles qui sont
chimiques :
a. Solidification de l’eau des étangs en hiver ;
b. Fermentation de jus sucrés ;
c. Combustion de charbon ;
d. Liquéfaction du butane ;
e. Formation de la rosée à la tombée de la nuit ;
f. 2vaporation de l’eau des piscines en été ;
g. Synthèse d’un savon ;
h. Dilution d’un mélange homogène d’eau et d’éthanol par ajout d’eau.
2. Décrire un système chimique : (Reproduire le schéma)
Une boisson diététique pour sportifs peut être obtenue par dissolution complète, dans de l’eau,
de la poudre contenue dans cette boîte.
Celle-ci contient entre autres :
-
Du glucose C6H12O6,
Du fructose C6H12O6,
Du saccharose C12H22O11,
Un peu de chlorure de sodium NaCl.
Décrire, à 25 °C sous 1,0 bar, l’état du système chimique constitué par la boisson ainsi
obtenue.
3. Décrire l’évolution d’un système chimique :
Pour déterminer la valeur énergétique d’un aliment, on mesure l’énergie thermique fournie
par la combustion complète d’une masse m = 1,00 g de cet aliment dans du dioxygène pur en
excès.
La réaction est réalisée dans un réacteur, de volume constant, dans lequel la température varie
de Ti à Tf et la pression varie de Pi à Pf lors de la combustion. On détermine ainsi la valeur
énergétique du glucose C6H12O6.
1. Quelles sont les espèces chimiques présentes dans l’état initial (i), puis dans l’état final (f) ?
2. Décrire alors précisément les états initial et final de ce système.
Qu’est-ce qu’une équation chimique ?
4. Interpréter des combustions :
Le méthane CH4 (g), principal constituant du gaz naturel, est très souvent utilisé pour chauffer
les gymnases et les salles de sport. Suivant la quantité de dioxygène O2(g) disponible, la
combustion peut être complète ou incomplète, ce qui, dans ce dernier cas, peut s’avérer très
dangereux.
Les produits peuvent donc être :
a. Du dioxyde de carbone CO2(g) et de l’eau H2O(g) ;
b. Du monoxyde de carbone CO(g) et de l’eau H2O(g) ;
c. Du carbone C(s) et de l’eau H2O(g).
Ecrire les équations des trois réactions conduisant à des différents produits. Les nombres
stœchiométriques à ces différents produits. Les nombres stœchiométriques choisis seront des
entiers les plus petits possibles.
5. Identifier les réactifs et les produits d’une réaction :
Le dioxyde de carbone CO2(g) présent dans l’air expiré trouble l’eau de chaux contenant des
ions calcium Ca2+ (aq) et hydroxyde HO- (aq) par formation d’un précipité blanc de carbonate
de calcium CaCo3(s).
De l’eau se forme également au cours de ce test.
1. Quels sont les réactifs et les produits de cette réaction ?
2. Ecrire l’équation de la réaction chimique correspondante.
6. Ajuster des nombres stœchiométriques : (Reproduire le schéma)
Les carburants sans plomb utilisés dans les véhicules de rallye sont principalement constitués
d’isomères de formule C8H18, de divers additifs tels que le benzène C6H6, le toluène C7H8 et
de composés oxygénés tel que l’éthanol C2H6O et le méthyltertiobutyléther (M.T.B.E)
C5H12O.
Ajuster les équations des réactions de combustions complètes de ces cinq constituants. Les
nombres stœchiométriques choisis seront des entiers les plus petits possibles :
…C8H18(g) + …O2(g) —CO2(g) + …H2O(g)
… C6H6(g) + …O2(g) —CO2(g) + …H2O(g)
….C7H8(g) + …O2(g) —CO2(g) + …H2O(g)
…..C2H6O(g) + …O2(g) —CO2(g) + …H2O(g)
….C5H12O(g) + …O2(g) —CO2(g) + …H2O(g)
Quels effets thermiques accompagnent une transformation ?
7. Interpréter des effets thermiques : (Reproduire le schéma)
Interpréter les deux observations pratiques suivantes :
a. Lorsque l’on agite vigoureusement une bombe à aérosol, sa paroi métallique se refroidi ;
b. Lorsque l’on met quelques gouttes d’un composé très volitif sur la peau, par exemple de
l’éther, une sensation de froid est ressentie.
8. Magnésie et activités sportives : (Reproduire le schéma)
La magnésie, solide blanc de formule MgO, est utilisée par les gymnastes pour pratiquer les
agrès (anneaux, barre fixe…) ou par les grimpeurs lors d’escalades. La magnésie, lorsqu’elle
est réduite en poudre, absorbe la sueur et augmente provisoirement l’adhérence.
Industriellement, elle est obtenue par chauffage du carbonate de magnésium naturel de
formule MgCO3(s).
Au laboratoire, elle peut être produite par combustion du métal magnésium dans le dioxygène.
On peut aussi la préparer par déshydratation d’un solide, l’hydroxyde de magnésium.
1. Ecrire l’équation de la réaction d’obtention industrielle de la magnésie sachant qu’il se
forme également du dioxyde de carbone.
2. a. Ecrire l’équation de la réaction de combustion du magnésium dans le dioxygène.
b. Quelle application avait cette réaction jadis ?
3. L’hydroxyde de magnésium peut être obtenu par réaction entre une solution d’hydroxyde
de soium, Na+(aq) + HO-(aq), et une solution de chlorure de magnésium, Mg2+(aq) + 2 Cl(aq). Les ions Na+(aq) et Cl-(aq) sont ici spectateurs.
a. Ecrire l’équation de la réaction de formation de l’hydroxyde de magnésium.
b. Qu’est-ce qu’une réaction de déshydratation ?
c. Ecrire l’équation de la déshydratation de l’hydroxyde de magnésium conduisant à la
magnésie.
9. Se réchauffer chimiquement :
Pour lutter contre le froid, par exemple lors de la pratique de certains sports de glace ou de
randonnées en montagne, il est possible d’utiliser des chaufferettes chimiques.
Certaines sont constituées d’un petit sac étanche qui contient du fer en poudre, du charbon
actif, de la sciure de bois humidifiée et du chlorure de sodium.
Lorsque le contenu de ce sac est mis en contact avec du dioxygène il se forme des oxydes de
fer FeO(s), Fe3O4(s) et surtout Fe2O3(s). Ces réactions dégagent beaucoup de chaleur.
Ecrire les équations chimiques correspondant à la formation de chacun de ces oxydes à partir
du fer et du dioxygène comme seuls réactifs.
10. A chacun son rythme :
Cet exercice est proposé à deux niveaux de difficulté.
Dans un premier temps, essayer de résoudre l’exercice de niveau2. En cas de difficultés,
passer au niveau 1.
Le sulfate de fer(II), Fe2+(aq) + SO2-4(aq), peut être utilisé pour éliminer la mousse présente
sur les aires sportives (pelouses, aires de lancer…). On dissout un peu de composé ionique
dans de l’eau et on ajoute quelques gouttes de solution d’hydroxyde de sodium Na+(aq) + HO(aq) ; un précipité vert apparaît.
Niveau 2 :
Ecrire l’équation de la réaction chimique mise en jeu.
Niveau 1 :
1. Quel ion est mis en évidence par la formation du précipité vert ?
2. Quelle est la formule du précipité obtenu ?
3. En déduire les formules des réactifs et produits de cette réaction.
4. Ecrire l’équation de la réaction chimique correspondante.
5. Les ions Na+(aq) et SO2-4(aq) sont ici spectateurs ; justifier ce nom.
12. Proposer un énoncé à partir de son corrigé :
1. Proposer un exercice dont l’énoncé portera sur la combustion complète du propane de
formule C3H8, qui est l’un des gaz présents dans le gaz de pétrole liquéfié ou G.P.L.
Il est aussi utilisé comme explosif, pour déclencher les avalanches en montagne, par réaction
avec le dioxygène.
L’énoncé contiendra nécessairement les termes suivants :
« Combustion complète » ; « produits » ; « réactifs » ; « équation chimique » ; « mise en
évidence ».
2. Rédiger son corrigé.
3. Demander à un€ camarade de tester l »énoncé et comparer les corrigés.
13. Des airbags pour rouler en toute sécurité : (Reproduire le schéma)
Des airbags, ou coussins gonflables, équipent de très nombreux véhicules automobiles afin
d’assurer la sécurité des passagers en cas de choc. Ils sont constitués d’une enveloppe souple,
susceptible d’être gonflée par un gaz produit lors d’une transformation chimique très rapide.
Les réactifs mis en jeu sont trois solides : l’azoture de sodium NaN3(s), le nitrate de potassium
KNO3 (s) et la silice SiO2(s). Lors d’un choc, un capteur détecte une brutale décélération et
envoie un signal électrique qui déclenche l’explosion de l’azoture de sodium. Celui-ci se
décompose en métal sodium solide et en diazote gazeux.
Le sodium formé réagit alors avec le nitrate de potassium en produisant du diazote, de l’oxyde
de sodium Na2O (s) et de l’oxyde de potassium K2O (s). Ces deux oxydes se combinent enfin
avec la silice pour donner un verre inerte.
Le diazote formé lors des deux premières réactions permet le gonflage du coussin protecteur
en quelques dizaines de millisecondes.
La transformation chimique mise en œuvre lors du gonflage de l’airbag se déroule en trois
étapes : (Reproduire le schéma)
1. Recopier et compléter le schéma en indiquant la composition du système à l’issue de
chacune des étapes.
2. Ecrire les équations des réactions chimiques qui se produisent dans les étapes 1 et 2.
3. Il existe aujourd’hui des airbags anti-avalanches.
Fonctionnent-ils sur le même principe ?
14. Brûler des sucres, brûler des graisses :
Le sucre ordinaire, ou saccharose, de formule C12H22O11, est un glucide. Les triglycérides
présents dans le beurre ou les huiles végétales sont des lipides ou corps gras. La butyrine, de
formule C15H26O6, est l’un des triglycérides présents dans le beurre.
On appelle valeur énergétique d’un aliment, l’énergie thermique fournie par la combustion
complète d’une masse m = 1,00 g de cet aliment dans du dioxygène pur. Elle s’exprime en
kilojoules par gramme d’aliment KJ.g-1, celle d’un lipide est EL = 38 KJ.g-1.
1. Ecrire les équations des réactions de combustion complète :
a. du saccharose solide ;
b. de la butyrine solide.
2. Un cycliste qui roule en moyenne à 25 km.h-1 consomme 2000 KJ.h-1.
a. Quelle masse de glucide « brûlerait » un cycliste qui roulerait pendant deux heures à cette
vitesse en ne consommant que du sucre ?
b. Même question à propose des lipides si le cycliste ne consommait que des corps gras.
15. Rouler sportif mais propre : (Reproduire le schéma)
Aujourd’hui, comme de très nombreux véhicules automobiles, les voitures utilisées dans les
rallyes sont équipées de pots catalytiques afin de limiter les rejets de gaz polluants dans
l’atmosphère. Ces gaz polluants, nocifs pour la santé, sont principalement le monoxyde
d’azote NO et les hydrocarbures imbrûlés souvent notés CxHy.
A la sortie d’un pot catalytique, on ne trouve que du dioxyde de carbone CO2, du diazote N2
et de l’eau H2O.
1. Effectuer une recherche sur le pot catalytique (constitution, mode de fonctionnement et
coût).
2. Le dioxyde de carbone, gaz rejeté par un pot catalytique, est-il un gaz polluant ? Justifier la
réponse.
3. Ajuster les nombres stœchiométriques des équations chimiques, ci-dessous, relatives aux
principales réactions alors mise en jeu ; C8H18n représente les hydrocarbures imbrûlés. Les
nombres stœchiométriques choisis seront des entiers les plus petits possibles.
a. …CO(g) + … O2(g) — …CO2(g)
b. C8H18(g) … + …O2(g) —…CO2(g) + …H2O(g)
c. CO (g) + …NO(g) —…N2(g) + …CO2(g)
d. CO(g) + …NO2(g) —…N2(g) + …CO2(g)
e. C8H18(g) + …NO(g) — …N2(g) + …CO2(g) +… H2O(g)
16. Tout ce qui est gris n’est pas métallique :
Deux flacons contiennent tous les deux une poudre grise.
L’un contient de la poudre de fer. L’autre est rempli d’un mélange de poudre de charbon et de
carbonate de calcium CaCO3, principale constituant du calcaire.
On souhaite, à l’aide de diverses réactions chimiques, identifier chacun des flacons. Il est ainsi
demandé d’imaginer une suite de réactions possibles, accompagnées des tests des espèces
ioniques ou gazeuses formées. Une réaction chimique au moins sera décrite pour identifier
chacun des flacons.
1. Proposer, en s’aidant éventuellement de schéma, le protocole opératoire de chacune des
réactions envisagées.
2. Ecrire les équations de toutes les réactions effectuées ; on pourra consulter la fiche N° 1, p.
309.
3. Quelle expérience de physique simple permettrait d’identifier le flacon contenant la poudre
de fer ?