doc - Ecole Européenne de Strasbourg

BACCALAURÉAT EUROPÉEN 2012
CHIMIE
DATE: 12 juin 2012
DURÉE DE L'EXAMEN :
3 heures (180 minutes)
MATÉRIEL AUTORISÉ :
Calculatrice non graphique et non programmable.
REMARQUES :
 Choisir deux questions A et deux questions B.
 Indiquer les questions choisies en marquant d’une croix les cases
appropriées sur le formulaire fourni.
 Utiliser des feuilles d’examen différentes pour chaque question.
1/14
FR
BACCALAURÉAT EUROPÉEN 2012: CHIMIE
Question A1
Page 1/2
Points
a)
b)
À 25oC, le pH d’une solution aqueuse A1 d’ammoniac, NH3(aq) , à la
concentration de 1,00 x 10-1 mol dm-3 (mol L-1) vaut 11,1.
i.
Écrivez l’équation de la réaction de l’ammoniac avec l’eau.
2 points
ii.
Calculez la concentration molaire des trois espèces chimiques
majoritaires (excepté l’eau) présentes dans la solution A1.
3 points
iii.
Déduisez la valeur de la constante d’acidité, Ka, du couple
NH4+(aq)/NH3(aq) et montrez que la valeur du pKa de ce couple est égale
à 9,2.
4 points
On ajoute du chlorure d’ammonium solide, NH4Cl(s), à 1,00 dm3 (L) de la
solution A1.
On considère que le volume de la solution ne varie pas.
Le pH de la solution B1 ainsi obtenue est égal à 9,2.
Comparez les concentrations molaires, [NH4+(aq)] et [NH3(aq)], dans la
solution B1. Justifiez votre réponse.
c)
2 points
On ajoute les mêmes quantités de chlorure d’ammonium solide à des volumes
identiques des solutions A1 et B1. On obtient ainsi les solutions A2 et B2.
Le volume des deux solutions reste constant.
i.
Pour chacune des solutions A1 et B1, indiquez, en l’expliquant, si l’on doit
s’attendre à une augmentation ou à une diminution du pH lors de
l’addition du chlorure d’ammonium.
2 points
Le pH de l’une des solutions varie de 0,1 unité et celui de l’autre varie de 1,3
unité.
ii. Dans chaque cas, précisez la solution concernée et expliquez la différence
de variation de pH observée.
d)
2 points
On dispose dans un laboratoire des quatre solutions suivantes, toutes à la
concentration de 1,00 x 10-1 mol dm-3 (mol L-1) :
W : une solution aqueuse d’acide chlorhydrique, HCl(aq).
X : une solution aqueuse d’acide méthanoïque, HCOOH(aq).
Y : une solution aqueuse de méthanoate de sodium, NaHCOO(aq).
Z : une solution aqueuse d’hydroxyde de sodium, NaOH(aq).
En utilisant certaines solutions choisies parmi W, X, Y et Z, décrivez deux
méthodes différentes permettant de préparer 30,0 cm3 (mL) d’une solution
tampon à pH 3,7 à 25°C.
On donne: pKa de l’acide méthanoïque à 25°C: 3,7.
2/14
4 points
BACCALAURÉAT EUROPÉEN 2012: CHIMIE
Question A1
Page 2/2
Points
e)
Le graphique ci-dessous représente la variation de pH lors de l’addition
progressive d’un volume Va d’une solution d’acide chlorhydrique, HCl(aq),
2,00 x 10-1 mol dm-3 (mol L-1) à 40,0 cm3 (mL) d’une solution d’une base faible
monoprotique, B, de concentration inconnue à 25°C.
pH
Va / cm3(mL)
À partir du graphique:
i.
Déterminez le pH au point d’équivalence.
1 point
ii.
Calculez la concentration initiale de la solution de base faible, B.
3 points
iii.
Calculez le pKb de la base B.
2 points
On donne: pKe (ou pKw) de l’eau à 25oC: 14,0.
3/14
BACCALAURÉAT EUROPÉEN 2012: CHIMIE
Question A2
Page1/3
Points
a)
Les piles à combustible produisent de l’énergie électrique à partir de réactions
chimiques.
Le schéma ci-dessous représente une pile à combustible.
H2(g)
O2(g)
H2O(l)
KOH(aq)
Dans cette pile, l’hydrogène, H2(g), réagit à une électrode, tandis que
l’oxygène, O2(g), réagit à l’autre électrode.
Les deux électrodes sont séparées par une solution aqueuse d’hydroxyde de
potassium, KOH(aq).
Les électrodes sont inertes et perméables aux gaz.
On donne:
Les potentiels standard d’électrode des deux couples concernés.
Eθ / V
Couples
O2(g) / OH–(aq)
+ 0,40
H2O(l) / H2(g)
− 0,83
i.
Expliquez la polarité des électrodes, telle qu’elle est indiquée sur le
schéma.
2 points
ii.
Écrivez les demi-équations des réactions qui se produisent aux
électrodes et l’équation-bilan de la réaction actionnant la pile.
3 points
iii.
Calculez la force électromotrice (f.e.m.) de cette pile fonctionnant dans
les conditions standard.
1 point
4/14
BACCALAURÉAT EUROPÉEN 2012: CHIMIE
Question A2
Page 2/3
Points
b)
c)
L’hydrogène utilisé dans une pile à combustible peut être obtenu par
reformage à la vapeur du méthane, CH4(g), selon l’équation:
CH4(g) + H2O(g) → CO(g) + 3H2(g)
i.
Déterminez les nombres d’oxydation de chacun des éléments figurant
dans cette équation.
3 points
ii.
À l’aide des nombres d’oxydation expliquez que la réaction de
reformage à la vapeur du méthane est une réaction redox et identifiez
l’agent oxydant et l’agent réducteur.
2 points
L’hydrogène peut aussi être obtenu par électrolyse de l’eau.
i.
Écrivez la demi-équation de la réaction qui se produit à l’électrode
négative lors de l’électrolyse de l’eau.
Calculez le volume d’hydrogène gazeux qui serait formé, à 25°C et 1,01
x 105 Pa, lors de l’électrolyse de l’eau pendant 12 heures sous un
courant d’intensité de 12,0 A.
ii.
1 point
3 points
On donne:
Volume molaire d’un gaz à 25°C et 1,01 x 105 Pa : 24,5 dm3 mol-1 (L mol-1).
1 Faraday : 9,65 x 104 C mol-1.
d)
Parmi les méthodes alternatives de production de l’hydrogène figurent le cycle
de l’oxyde de cérium et le cycle de l’oxyde de fer.
Dans le cycle de l’oxyde de cérium, les deux réactions qui ont lieu peuvent
être représentées par les équations (non pondérées):
CeO2(s) → Ce2O3(s) + O2(g)
Ce2O3(s) + H2O(g) → CeO2(s) + H2(g)
i.
Pondérez (équilibrez) ces deux équations et formulez l’équation-bilan
de la réaction qui a lieu au cours de ce cycle.
3 points
Un cycle analogue existe pour le système Fe3O4(s) / FeO(s).
ii.
Écrivez les équations de la formation de l’oxygène aux dépens de
Fe3O4(s) et de l’hydrogène à partir de FeO(s) et de H2O(g).
5/14
4 points
BACCALAURÉAT EUROPÉEN 2012: CHIMIE
Question A2
Page 3/3
Points
e)
Un type alternatif de pile à combustible est la pile à oxyde solide.
Dans cette pile, l’électrolyte est un oxyde solide, tel l’oxyde de cérium(III),
Ce2O3(s).
La réaction qui a lieu à l’électrode positive est la réduction de l’oxygène
gazeux en ions oxyde, O2- (sous forme d’un oxyde métallique).
i. Écrivez la demi-équation de la réaction de réduction de l’oxygène.
1 point
Un avantage potentiel de ce type de pile est la possibilité de remplacer
l’hydrogène par un autre combustible, tel le méthane, susceptible de se
combiner aux ions oxyde pour former du dioxyde de carbone, CO 2(g), et de
l’eau.
ii. Écrivez la demi-équation d’oxydation correspondante.
6/14
2 points
BACCALAURÉAT EUROPÉEN 2012: CHIMIE
Question A3
Page 1/2
Points
a)
Différentes méthodes permettent de préparer le brome, Br2(l).
 Une première méthode consiste à faire réagir le chlore, Cl2(g), avec une
solution de bromure de potassium, KBr(aq).
 Une seconde méthode utilise le dioxyde de manganèse, MnO 2(s), lequel
réagit avec une solution de bromure de potassium, KBr(aq), en milieu
acide.
 Une troisième méthode consiste à effectuer l’électrolyse d’une solution de
bromure de potassium en utilisant des électrodes en platine.
Le brome est produit à l’électrode positive, tandis qu’un gaz inflammable
est formé à l’électrode négative.
i. Écrivez l’équation de la réaction impliquée dans la première méthode et
précisez les variations des nombres d’oxydation du brome et du chlore
au cours de la réaction.
2 points
La seconde méthode fait intervenir les couples redox suivants:
Br2(aq) / Br–(aq) et MnO2(s) / Mn2+(aq)
ii. En utilisant ces couples, écrivez l’équation de la réaction à laquelle ils
donnent lieu et précisez les variations des nombres d’oxydation du
brome et du manganèse au cours de la réaction.
3 points
Le tableau ci-dessous indique les potentiels d’électrode dans les conditions de
l’expérience des couples susceptibles d’intervenir dans l’électrolyse de la
troisième méthode.
Couples
E /V
K+(aq) / K(s)
− 2,93
H2O(l) / H2(g)
− 0,41
O2(g) / H2O(aq)
+ 0,81
Br2(aq) / Br-(aq)
+ 1,09
iii. Représentez un schéma légendé du montage utilisé pour effectuer
l’électrolyse mentionnée dans la troisième méthode et indiquez par des
flèches le sens de déplacement des ions et des électrons au cours de
l’électrolyse.
3 points
iv. En utilisant notamment les données fournies dans ce tableau, identifiez
les substances qui devraient théoriquement se former à chaque
électrode et expliquez votre réponse.
2 points
7/14
BACCALAURÉAT EUROPÉEN 2012: CHIMIE
Question A3
Page 2/2
Points
Pratiquement, on constate que le brome est l’une de ces substances.
v. Écrire l’équation-bilan de la réaction qui se produit dans la cellule
d’électrolyse et calculez la tension minimale à appliquer aux bornes
pour que l’électrolyse fournisse du brome.
2 points
vi. Calculez la durée d’électrolyse nécessaire pour produire 1,00 kg de
brome, Br2(l), sous un courant d’intensité constante de 12,0 A.
2 points
On donne: 1 Faraday: 9,65 x 104 C mol-1
Masse molaire atomique (en g mol-1) de Br: 79,9
b)
Le brome, Br2(l), sert à la fabrication de l’hypobromite de potassium,
KBrO(aq), une substance utilisée comme désinfectant.
Le procédé comporte deux étapes:
 Étape 1: le brome réagit avec l’eau pour former de l’acide bromhydrique,
HBr(aq), et de l’acide hypobromeux, HBrO (aq).
 Étape 2: l’acide hypobromeux produit dans l’étape 1 réagit avec une
solution aqueuse d’hydroxyde de potassium, KOH(aq).
Écrivez les équations des réactions qui se produisent dans l’étape 1 et dans
l’étape 2.
c)
2 points
On titre 25,0 cm3 (mL) de la solution d’acide hypobromeux de concentration
1,00 x 10-1 mol dm-3 (mol L-1) par une solution aqueuse d’hydroxyde de
sodium, NaOH(aq), de concentration 8,00 x 10-2 mol dm-3 (mol L-1).
Écrivez l’équation de la réaction qui intervient lors du titrage.
1 point
ii. Calculez le volume de la solution d’hydroxyde de sodium qui sera
nécessaire pour atteindre le point d’équivalence.
2 points
iii. Calculez le pH initial de cette solution d’acide hypobromeux à 25oC.
2 points
iv. Calculez le pH de la solution au point d’équivalence du titrage à 25oC.
4 points
i.
On donne:
Ka, de l’acide hypobromeux à 25°C: 2,00 x 10-9.
pKe (ou pKw) de l’eau à 25oC: 14,0.
8/14
BACCALAURÉAT EUROPÉEN 2012: CHIMIE
Question B1
Page 1/2
Points
a)
Un alcool secondaire répond à la formule moléculaire C5H12O.
i. Écrivez les trois formules de structure possibles d’alcools secondaires
isomères de C5H12O.
3 points
L’un des isomères que vous avez représenté n’est pas optiquement actif.
ii. Donnez le nom systématique (UICPA) de cet isomère et expliquez
pourquoi il n’est pas optiquement actif.
3 points
On réalise l’oxydation de l’alcool pentan-2-ol à l’aide d’une solution aqueuse
acidifiée de dichromate de potassium, K2Cr2O7(aq).
iii. Écrivez l’équation de la réaction et donnez le nom systématique
(UICPA) du produit organique obtenu.
3 points
On donne: La demi-équation de la réaction que subit l’agent oxydant est:
Cr2O72-(aq) + 14H+(aq) + 6e- → 2Cr3+(aq) + 7H2O(l)
iv. Calculez le volume minimal d’une solution aqueuse de dichromate de
potassium de concentration 2,00 x 10-1 mol dm-3 (mol L-1) nécessaire
pour oxyder 25,0 cm3 (mL) de pentan-2-ol.
3 points
On donne: Masse volumique du pentan-2-ol : 8,09 x 10-1 g cm-3 (g mL-1).
Masses molaires atomiques (en g mol-1):
H: 1,01
C: 12,0
O: 16,0
b)
Les réactions d’estérification sont des réactions réversibles représentées par
l’équation générale suivante:
acide + alcool ⇋ ester + eau
i.
Suggérez deux manières différentes d’augmenter la production d’ester.
2 points
ii.
Donnez le mécanisme de la réaction d’estérification entre l’acide
éthanoïque et le méthanol.
4 points
iii.
Expliquez pourquoi on utilise un acide fort pour catalyser cette réaction.
1 point
9/14
BACCALAURÉAT EUROPÉEN 2012: CHIMIE
Question B1
Page 2/2
Points
c)
Un composé organique X est liquide à la température ambiante et est obtenu
par oxydation d’un alcool saturé.
On brûle complètement dans l’air 9,70 g du composé X et on obtient 9,01 g
d’eau et 12,3 dm3 (L) de dioxyde de carbone, mesurés à 25oC, sous une
pression de 1,01 x 105 Pa.
i.
Calculez le rapport molaire entre le carbone et l’hydrogène dans le
composé X.
3 points
ii.
En considérant que sa masse molaire moléculaire est de 58,1 g mol-1,
écrivez la formule moléculaire de X.
1 point
iii.
Écrivez les formules de structure et nommez les deux isomères de X.
2 points
On donne:
Masses molaires atomiques (en g mol-1):
H: 1,01
C: 12,0
O: 16,0
Volume molaire d’un gaz à 25oC et 1,01 x 105 Pa: 24,5 dm3 mol-1 (L mol -1).
10/14
BACCALAURÉAT EUROPÉEN 2012: CHIMIE
Question B2
Page 1/2
Points
a)
La pipéridine, la coniine et la sédamine sont des alcaloїdes. Les alcaloïdes
sont des composés organiques présents dans les végétaux. Beaucoup d’entre
eux sont des poisons. La mort de Socrate est due à l’absorption de coniine.
La coniine et la sédamine sont des alcaloïdes dérivés de la pipéridine.
La sédamine entre dans la composition de certains médicaments somnifères.
pipéridine
coniine
sédamine
Ces trois composés sont des amines.
i.
Expliquez pourquoi les amines peuvent fonctionner comme des bases.
2 points
ii.
Classez les trois amines représentées ci-dessus en amines primaires,
secondaires ou tertiaires.
2 points
iii.
Expliquez pourquoi, en solution aqueuse, la pipéridine et la coniine sont
des bases plus fortes que l’ammoniac, NH3(aq).
2 points
iv.
Identifiez un autre groupement fonctionnel autre que le groupement
amine également présent dans la sédamine.
1 point
v.
Parmi ces trois composés, identifiez celui (ceux) qui est (sont)
optiquement actif(s). Justifier votre réponse.
2 points
Même en tenant compte de sa masse molaire moléculaire plus élevée, on
constate que la température d’ébullition de la sédamine est nettement
supérieure à celle de la coniine.
Composé
pipéridine
vi.
Température
d’ébullition
/ °C
106
coniine
166
sédamine
331
Suggérez et expliquez une autre raison qui justifie une telle différence
de température d’ébullition entre ces deux composés.
11/14
2 points
BACCALAURÉAT EUROPÉEN 2012: CHIMIE
Question B2
Page 2/2
Points
b)
La cadavérine peut se former à partir de l’acide aminé lysine.
cadavérine
i.
lysine
Donnez les noms systématiques (UICPA) de la lysine et de la
cadavérine.
2 points
Le point isoélectrique de la lysine est de 9,59.
ii.
Représentez les structures semi-développées de la lysine dans une
solution fortement acide et dans une solution fortement basique.
2 points
Lorsqu’ils réagissent entre eux, les acides aminés forment des liaisons
peptidiques.
iii.
Écrivez la formule de structure semi-développée du dipeptide formé à
partir de deux molécules de lysine.
2 points
La cadavérine peut former un polymère en réagissant avec l’acide oxalique.
acide oxalique
iv.
c)
Représentez l’unité répétitive (motif) du polymère formé.
2 points
La pyrrolidine est un autre alcaloïde à structure cyclique incluant un atome
d’azote. Elle répond à la formule moléculaire, C4H9N. Il s’agit une amine
secondaire saturée ne comportant aucune chaîne latérale carbonée.
La pyrrolidine est très soluble dans l’eau.
i.
Représentez la formule de structure développée de la pyrrolidine.
2 points
ii.
Donnez deux arguments qui expliquent la grande solubilité de la
pyrrolidine dans l’eau.
2 points
iii.
Représentez la formule de structure de deux isomères de structure de la
pyrrolidine.
2 points
12/14
BACCALAURÉAT EUROPÉEN 2012: CHIMIE
Question B3
Page 1/2
Points
a)
La dopamine, la noradrénaline et l’adrénaline sont des neurotransmetteurs
chez les mammifères. Leurs structures sont représentées ci-dessous.
dopamine
noradrénaline
adrénaline
Ces trois composés appartiennent à une famille de substances appelées les
catécholamines.
Ces trois composés peuvent être classés dans la catégorie des bases de
Brønsted- Lowry.
b)
i.
En vous référant à leur structure moléculaire, expliquez pourquoi ces
trois composés peuvent aussi présenter des propriétés acides.
2 points
ii.
Comment appelle-t-on des composés qui présentent à la fois des
propriétés acides et des propriétés basiques ?
1 point
Une molécule du triglycéride A est synthétisée à partir d’une molécule de
propane-1,2,3-triol, de deux molécules d’acide hexadécanoïque et d’une
molécule d’acide octadéc-9-enoïque.
i.
Représentez sous une forme simplifiée une formule de structure
possible du triglycéride A.
3 points
ii.
À la température ambiante, quel est l’état physique de A? Expliquez
votre réponse.
2 points
Le triglycéride A est chauffée en présence d’une solution aqueuse concentrée
d’hydroxyde de potassium, KOH(aq).
iii.
En utilisant des formules de structure simplifiées, écrivez l’équation de
la réaction de A avec la solution aqueuse d’hydroxyde de potassium.
3 points
iv.
Nommez le type de réaction qui se produit et indiquez son importance
industrielle.
2 points
13/14
BACCALAURÉAT EUROPÉEN 2012: CHIMIE
Question B3
Page 2/2
Points
c)
La benzocaïne est le principe actif de nombreux onguents anesthésiques.
Elle peut être préparée à partir de l’acide 4-aminobenzoïque.
acide 4-aminobenzoïque
Au cours d’une expérience de laboratoire visant à préparer la benzocaïne,
dans un ballon à fond rond de 100 cm3 (mL), on introduit 17,5 cm3 (mL)
d’éthanol et 1,30 g d’acide 4-aminobenzoïque. On ajoute ensuite lentement
2,00 cm3 (mL) d’acide sulfurique concentré.
Le mélange est chauffé à reflux pendant une heure.
i.
L’acide 4-aminobenzoïque peut exister sous forme d’un zwitterion.
Représentez la formule de structure du zwitterion.
1 point
ii.
En utilisant des formules de structure simplifiées pour représenter les
réactifs et les produits, écrivez l’équation de la réaction de préparation
de la benzocaïne.
2 points
iii.
Identifiez le réactif qui était présent en excès. Justifiez votre réponse
par un calcul approprié.
3 points
On donne: Masse volumique de l’éthanol = 7,89 x 10-1 g cm-3 (g mL-1)
Masses molaires atomiques (en g mol-1):
H: 1,01
C: 12,0
N : 14,0
O: 16,0
d)
Le glucose, de formule C6H12O6, est un saccharide.
Sa représentation linéaire est la suivante:
i.
Expliquez pourquoi la température de fusion du glucose est élevée.
2 points
ii.
Donnez la représentation cyclique du glucose.
2 points
iii.
À l’aide des formules moléculaires, écrivez l’équation de la réaction de
synthèse du maltose à partir du glucose.
2 points
14/14