2010 051-504 CHIMIE 3e année du 2e cycle du secondaire Épreuve de la compétence 2 Outils d’évaluation Juin PRÉCISIONS La clé de correction qui suit contient les éléments de réponse attendus pour chacun des critères d’évaluation ciblés de la compétence disciplinaire 2 du programme de Chimie. Lors de la présentation de ses calculs, l’élève qui s’assure d’utiliser adéquatement les chiffres significatifs se verra accorder une majoration de son résultat global d’un demi-échelon. (Exemple : résultat global 4 converti à 4+) 2 1. Le propane explosif a) Il existe deux façons de résoudre ce problème : Version 1 C3H8 (g) + 5 O2(g) 3 CO2(g) + 4 H2O(g) Puisque la masse molaire du C3H8(g)= 44,11 g/mol n= m 9,00x103 g = = 204 mol de propane donc 612 mol de CO2 (g) M 44,11 g/mol Puisque P = 105,1 kPa et T= 30 °C + 273 = 303 K V= nRT = P kPaL x 303 K molK 105,1 kPa 612 mol x 8,31 V = 1,47 x 104 L Version 2 Calcul de la masse de CO2 produite C3H8(g) + 8 O2(g) 3 CO2(g) + 4 H2O(g) 44,11g 132 g 9,00 kg x x = 2,69 x104 g Calcul du nombre de moles de CO2 produites 1 mol CO 2 = 44,01 g x = 2,69 x104 g x = 611 mol Calcul du volume de CO2 produit Puisque : 1 mol TPN = 22,4 L Alors 611 mol = x x = 1,37x104 L Calcul du volume final de CO2 produit V1 = 1,37x104 L CO2 P1 = 101,3 kPa n1 = n2 T1 = 273 K V2 = ? T1 = 30 °C + 273 = 303 K P2 = 105,1 kPa PV P1V1 = 2 2 T1 T2 (101,3kPa) (1,37x104L). (105,1kPa)• (V 2) = (303K) (273k) 3 donc V2 = 1,47 x 104 litres 1. Le propane explosif b) P1 = 135 kPa T1 = 15oC + 273 = 288 K T2 = 3 000 oC + 273= 3 273 K P2 = x V1 = V2 n1 = n2 Loi de Gay-Lussac P 2 135kPa P1 P2 = = T2 T1 288K 3273K P2 = 1,53 x 103 kPa Si la température augmente, l’agitation des molécules augmente, ce qui provoque une augmentation des collisions et donc une augmentation de la pression. c) Expliquez, en utilisant la théorie cinétique des gaz, les trois étapes de l’explosion. - Il y a une ouverture de la bonbonne permettant au gaz de s’échapper, la pression à l’intérieur étant plus grande que la pression à l’extérieur de la bonbonne. - La pression baisse brusquement dans le réservoir. - Le gaz s’échappe, ce qui augmente ainsi l’espace vacant dans la bonbonne. - Le propane passe donc de la phase liquide à gaz pour combler le vide. - La pression augmente brusquement dans le réservoir, exerçant une force plus grande pour faire sortir le gaz. - Le propane liquide est devenu presque entièrement gazeux. La pression est donc énorme pour ce volume. Par conséquent, la bonbonne se rompt. Comme il s’agit de propane, un gaz inflammable, une explosion pourrait se produire. 4 LE PROPANE EXPLOSIF 5 1 En plus des éléments retrouvés au niveau 4, l’élève : Intègre à son explication la diffusion du propane et sa vaporisation et explique l’augmentation du nombre de particules à l’étape 2. En plus des éléments retrouvés au niveau 3, l’élève : 4 3 Applique correctement la loi générale des gaz ou la loi des gaz parfaits en tenant compte des rapports stœchiométriques. Intègre à son explication la diffusion du propane ou sa vaporisation et explique l’augmentation du nombre de particules à l’étape 2. Erreur de calcul mineure, telle que la conversion des C en K. En plus des éléments retrouvés au niveau 2, l’élève : Applique correctement la loi générale des gaz ou la loi des gaz parfaits. 2 Applique correctement la loi générale des gaz ou la loi des gaz parfaits pour l’un des problèmes à résoudre. Explique la variation de pression dans les trois étapes de l’explosion. Erreurs de calculs telles que l’application de la stœchiométrie, erreurs dans le calcul du nombre de moles. 1 Reformule simplement les informations fournies dans les textes et les illustrations sans intégrer dans son explication les concepts relatifs aux gaz. Critères évalués Utilisation pertinente des concepts Production d’explications ou de solutions pertinentes Justification adéquate des explications 1 La grille fournie décrit les indices observables les plus signifiants de l’atteinte d’un échelon. De plus, lorsqu’indiqué, des aspects de la compétence qui sont jugés acquis à un niveau donné le sont de manière implicite dans la description des niveaux supérieurs. 5 2. À l’air ou à l’azote? Consommateurs, soyez vigilants!! Article 1 L’information scientifique est … - fausse. Malgré que N2 soit chimiquement inerte, les lois des gaz s’appliquent à tous les gaz. Donc, V1 V2 = s’applique. Donc, par temps froid, le volume de diazote diminue en T2 T1 fonction de la température. Article 2 2 possibilités de réponses (1 seule est nécessaire) L’information scientifique est … - fausse, le N2 est plus léger (28 g/mol) alors que le O2 est plus lourd (32 g/mol). Par la loi de Graham, la perte de N2 serait plus rapide que dans les pneus gonflés à l’air. La baisse de pression du pneu sera plus grande avec N2. - vraie, si on considère que le rayon atomique du N2 est effectivement plus grand que celui du O2 limitant sa capacité d’effuser au travers du caoutchouc. Article 3 L’information scientifique est … - vraie, le N2 est bien un gaz inerte et son usage est indiqué dans le cas de pneus qui subissent des hautes températures et des pressions élevées, pour éviter les explosions. Ces conditions ne s’appliquent pas dans le cas des pneus de véhicules de promenade. 6 À L’AIR OU À L’AZOTE? CONSOMMATEURS, SOYEZ VIGILANTS!! Reconnaît que l’affirmation 1 est fausse et explique que le diazote ne peut avoir un comportement différent des autres gaz compte tenu que ces substances sont assujetties aux mêmes lois. 5 2 Reconnaît que l’affirmation 2 est fausse et explique que le diazote ne peut diffuser plus rapidement compte tenu de sa masse qui est plus faible que le dioxygène.3 Reconnaît que l’affirmation 3 est vraie et reconnaît que le diazote est un gaz inerte. Reconnaît que les 2 premières affirmations sont fausses et explique que le diazote et le dioxygène ne peuvent avoir des comportements différents compte 4 tenu que ces deux substances sont assujetties aux mêmes lois.3 Reconnaît que l’affirmation 3 est vraie et explique que le diazote est un gaz inerte. Reconnaît qu’une des 2 premières affirmations sont fausses sans ajouter des 3 explications complètes.3 Reconnaît que l’affirmation 3 est vraie et reconnaît que l’azote est un gaz inerte. 2 Reconnaît que le diazote est un gaz inerte. Reformule simplement les informations fournies dans les textes et les 1 illustrations sans intégrer dans son explication les concepts relatifs aux gaz. Critères évalués Utilisation pertinente des concepts Production d’explications ou de solutions pertinentes Justification adéquate des explications 2 La grille fournie décrit les indices observables les plus signifiants de l’atteinte d’un échelon. 3 Dans le cas ou l’élève identifierait que le diazote peut effuser plus rapidement compte tenu que son rayon atomique est plus petit que celui du dioxygène, l’affirmation 2 serait vraie. 7 3. Fondre comme neige au Soleil Calculer la masse de CaCl2 dissoute Puisque le volume du contenant est de 500 mL, et que la masse maximale de CaCl 2 qui se dissout est de 74,5 g/100mL, on peut supposer que la masse de CaCl 2 dissoute ne peut excéder 500 mL x 74,5 g/100 mL = 373 g Calculer le nombre de moles de CaCl2 dissoutes : Sachant que 110,98 g = 1 mol CaCl2 Alors 373 g de CaCl2 = 3,36 mol de CaCl2 Puisque la chaleur molaire de dissolution du CaCl2 = 37,5 kJ/ mol Alors Q totale produite est de 37,5 kJ/mol x 3,36 mol = 126 kJ Si QCaCl2 dégagée = 126 kJ donc Qeau absorbée= 126 kJ Selon Q = mcT, la variation de température pouvant être atteinte se calcule selon T = Q 1,26x105J = = 60,1 C mc 500 g x 4,19 J/g°C Sachant que la température initiale à l’intérieur du récipient est de 45C, alors tf = ti + t tf = 45,0C + 60,1C tf = 105,1 C La température atteinte dépasse le point de fusion du polyéthylène. Il est possible que la dissolution du CaCl2 ait fait fondre le récipient. 8 FONDRE COMME NEIGE AU SOLEIL En plus des éléments retrouvés au niveau 4, l’élève : 54 Compare la température finale calculée à la température de fusion du polyéthylène et en fait une interprétation adéquate. Calcule la masse de CaCl2 dissoute. Calcule le nombre de moles de CaCl2 dissoutes. 4 Calcule la chaleur dégagée par la dissolution du CaCl2 en fonction du nombre de moles de CaCl2 dissoutes. Calcule la variation de température de l’eau. Détermine la température finale du mélange. Calcule la chaleur de réaction sans tenir compte de la solubilité. Calcule le nombre de moles de CaCl2 dissoutes. 3 Détermine que la chaleur dégagée par la dissolution du CaCl2 correspond à la chaleur absorbée par l’eau. Calcule la variation de température de l’eau. 2 1 Calcule la chaleur de réaction sans tenir compte de la solubilité, ni du nombre de moles de CaCl2 dissoutes. Calcule correctement un des éléments présents dans ce problème. Critères évalués Utilisation pertinente des concepts Production d’explications ou de solutions pertinentes Justification adéquate des explications 4 La grille fournie décrit les indices observables les plus signifiants de l’atteinte d’un échelon. De plus, lorsqu’indiqué, des aspects de la compétence qui sont jugés acquis à un niveau donné le sont de manière implicite dans la description des niveaux supérieurs. 9 4. Méthane ou propane, lequel est le plus vert? Combustion du propane C3H8(g) + 5 O2(g) C3H8(g) 3 CO2(g) + 4 H2O(g) 3 C(s) + 4 H2(g) + Énergie 104,0 kJ/mol 3 C(s) + 3 O2(g) 3CO2(g) 3x (-393,5 kJ/mol) -1180,5 kJ/mol 4H2(g) + 2 O2(g) 4 H2O(g) 4x (-242,0 kJ/mol) -968,0 kJ/mol C3H8(g) + 5 O2(g) 3 CO2(g) + 4 H2O(g) CO2(g) + 2 H2O(g) C(s) + 2 H2(g) - 2044,5 kJ/mol Combustion du méthane CH4(g) + 2 O2(g) CH4(g) C(s) + O2(g) CO2(g) 2H2(g) + O2(g) 2 H2O(g) CH4(g) + 2 O2(g) CO2(g) + Énergie 75,0 kJ/mol -393,5 kJ/mol 2x (-242,0 kJ/mol) + 2 H2O(g) -484,0 kJ/mol - 802,5 kJ/mol Réponse : Chaque mole de propane consommé produit -2044,5 kJ/mol et 3 mol CO2(g) donc l’énergie produite en fonction des quantités de CO2(g) libérée est de 681,33 kJ/ mol CO2(g) . Chaque mole de méthane consommé produit -802,5 kJ/mol et 1 mol CO2(g) donc l’énergie produite en fonction des quantités de CO2(g) libérée est de 802,5 kJ/ mol CO2(g) Le combustible qui produit le plus d’énergie tout en libérant le moins de CO 2(g) est le méthane. 10 MÉTHANE OU PROPANE, LEQUEL EST LE PLUS VERT? Applique correctement la loi de Hess. 55 Détermine que le méthane représente le meilleur choix de carburant en fonction de l’énergie libérée totale et de la quantité de CO2 produit. Applique correctement la loi de Hess pour l’un des deux gaz et calcule l’énergie libérée en fonction du nombre de moles de CO2 produit en utilisant une valeur de H erronée 4 OU Applique correctement la loi de Hess. Détermine quel gaz représente le meilleur choix de carburant en fonction de l’énergie totale libérée seulement. Erreurs de calculs mineures. Applique correctement la loi de Hess pour l’un des deux gaz.et détermine 3 quel gaz représente le meilleur choix de carburant en fonction de l’énergie totale libérée seulement. Effectue des erreurs dans l’application de la loi de Hess pour les deux gaz. et 2 détermine quel gaz représente le meilleur choix de carburant en fonction de 1 Calcule correctement un des éléments présents dans ce problème. l’énergie totale libérée seulement. Critères évalués Utilisation pertinente des concepts Production d’explications ou de solutions pertinentes Justification adéquate des explications 5 La grille fournie décrit les indices observables les plus signifiants de l’atteinte d’un échelon. 11 5. Combustion de l’octane 2 C8H18(g) + 25 O2(g) 16 CO2(g) + 18 H2O (g) + Énergie a) Graphique CA Énergie (kJ) ÉD ÉI HR 2 C8H18(g) +25 O2(g) H HP 16 CO2(g)+18 H2O (g) Progression de la réaction b) Explications : 1. ÉD : énergie à absorber par l’octane en présence de dioxygène pour amorcer la réaction provenant d’une étincelle. 2. Formation du complexe activé : bris des liaisons chimiques des molécules d’octane et de dioxygène. 3. Formation du dioxyde de carbone et de l’eau. L’enthalpie des produits est plus faible que celle des réactifs. 4. Globalement, cette réaction libère une certaine quantité d’énergie, le H est négatif. Cette réaction étant exothermique, elle dégage de l’énergie qui sera récupérée par les réactifs n’ayant pas encore entré en réaction. 12 COMBUSTION DE L’OCTANE 5 6 Dessine un graphique complet où sont situés correctement tous les éléments pertinents (HR, Ed, Ei, CA,HP et H) qu’il enrichie d’explications complètes. Dessine un graphique ayant certains éléments manquants, tels que E d, Ei ou CA qu’il enrichie d’explications partielles (erreurs mineures). Il fait un lien 4 explicite entre la présence et l’étincelle, l’énergie d’activation et atteinte du complexe activé. Nomme, pour chacune des étapes les substances en jeu ainsi que les gains/pertes d’énergie en précisant leur provenance. Dessine un graphique où figure seulement le H qu’il associe correctement à 3 2 1 une réaction exothermique. Nomme, pour chacune des étapes, les substances en jeu ou les gains/pertes d’énergie en précisant leur provenance. Dessine un graphique présentant une réaction exothermique sans être enrichie du contexte décrit dans le problème. Dessine un graphique qui n’illustre pas une réaction exothermique. Ses explications ne sont pas pertinentes. Critères évalués Utilisation pertinente des concepts Production d’explications ou de solutions pertinentes Justification adéquate des explications 6 La grille fournie décrit les indices observables les plus signifiants de l’atteinte d’un échelon. 13 6. Facteurs qui influencent les vitesses de réaction a) Une explosion est une combustion qui se déroule à très grande vitesse. La sciure de bois offre une très grande surface de contact à l’oxygène de l’air, facilitant grandement sa combustion. La vitesse de réaction est donc beaucoup plus élevée pour la combustion de la sciure de bois que pour la combustion du bois en plus gros morceaux. b) On ralentit la vitesse de réaction par deux facteurs Facteur température : - Si la température est contrôlée à la baisse, cela ralentira la vitesse du mûrissement (facteur influençant la vitesse de réaction). Facteur concentration : - La faible quantité d’O2 , un réactif, fait en sorte que la réaction est grandement ralentie. 14 FACTEURS QUI INFLUENCENT LES VITESSES DE RÉACTION 5 7 4 3 2 1 Identifie correctement les trois facteurs en cause. Les explications sont justes et complètes. Identifie correctement les trois facteurs en cause. Les explications sont justes et complètes pour deux d’entre eux. Identifie correctement deux des trois facteurs en cause. Les explications sont justes et complètes pour un d’entre eux. Identifie correctement un des trois facteurs en cause. Les explications sont justes et complètes pour un d’entre eux. Identifie correctement un des trois facteurs en cause. Les explications incorrectes ou incomplètes. Critères évalués Utilisation pertinente des concepts Production d’explications ou de solutions pertinentes Justification adéquate des explications 7 La grille fournie décrit les indices observables les plus signifiants de l’atteinte d’un échelon. 15 7. La chimie et le climat a) Puisque la journée est froide, la température à la baisse signifie que le système voudra rétablir l’équilibre chimique en favorisant la réaction directe, puisque cette dernière est exothermique. De plus, l’effet de l’augmentation de la pression atmosphérique signifie que le système voudra rétablir l’équilibre en favorisant la réaction directe, puisque cette dernière favorise la formation d’un plus petit nombre de molécules gazeuses. Donc, il est vrai qu’une diminution de la température et une augmentation de la pression favorisent la réaction directe. b) K= SO3 2 [SO2 ] 2 [O2 ]1 2 c) x 1 SO3 = K x SO2 2 x O21 SO3 = 100 L/mol x 5,10 mol/L 2 x 0,40 mol/L 1 SO3 = 32 mol/L 16 LA CHIMIE ET LE CLIMAT Les explications concernant les deux situations sont justes et complètes. 58 Formule correctement la constante d’équilibre et l’applique sans erreurs de calcul. Les explications concernant l’une des deux situations sont justes et complètes. 4 Formule correctement la constante d’équilibre et l’applique malgré la présence d’erreurs de calculs mineures. Identifie correctement les facteurs en cause sans que ses explications soient 3 justes et complètes pour un d’entre eux. Formule la constante d’équilibre et l’applique malgré la présence d’erreurs dans la formule, tel que l’absence d’un exposant. Identifie correctement un des facteurs en cause. 2 Suggère une formule qui ne correspond pas à la constante d’équilibre (inverse produits et réactifs ou omet l’une des substances). Reformule simplement les informations fournies dans les textes sans intégrer 1 dans son explication les concepts relatifs à l’équilibre chimique. Suggère une formule qui ne correspond pas à la constante d’équilibre (inverse produits et réactifs ou omet l’une des substances). Critères évalués Utilisation pertinente des concepts Production d’explications ou de solutions pertinentes Justification adéquate des explications 8 La grille fournie décrit les indices observables les plus signifiants de l’atteinte d’un échelon. 17 8. La piscine et son pH Calcul des concentrations [H+] en utilisant pH = -log [H+] Concentration initiale : si pH = 8,5 alors [H+]I = 3,2 x10-9 mol/L Concentration finale : si pH = 7,6 alors [H+]F = 2,5 x10-8 mol/L Calcul de la quantité de NaHSO4 (s) à ajouter [H+]A Calcul de la variation de concentration [H+]A = [H+]F - [H+]I [H+]A = (2,5 x10-8 mol/L) – (3,2 x10-9 mol/L) [H+]A = 2,2 x10-8 mol/L Puisque le NaHSO4 se dissout, il se dissocie presque totalement, il faut assumer que la [H+] à ajouter correspond à la [NaHSO4]. Calcul de la quantité en mole, en fonction du volume de la solution C= n V n= CxV n = 2,2 x10-8 mol/L x 58 000 L n = 1,3 x 10 -3 mol de NaHSO4 Calcul de la masse de NaHSO4 n= m M m=nxM m = 1,3 x 10 -3 mol x 120,70 g/mol m = 0,16 g 18 LA PISCINE ET SON pH En plus des éléments retrouvés au niveau 4, l’élève : 5 9 Détermine que la [H+] égale la [NaHSO4] puisque cette substance est nommée comme étant un acide fort. Calcule de la quantité de NaHSO4 (s) à ajouter [H+]A en tenant compte de la [H+] déjà présente. 4 Calcule le nombre de moles à ajouter en fonction du volume de la solution. Calcule de la masse de NaHSO4 (s). Les calculs peuvent comporter certaines erreurs qui peuvent influencer l’ensemble des étapes subséquentes. Calcule les concentrations [H+] en utilisant pH = -log [H+] pour les deux valeurs de pH. Calcule de la quantité de NaHSO4 (s) à ajouter [H+]A sans tenir compte de la [H+] 3 déjà présente. Calcule le nombre de moles à ajouter sans tenir compte du volume de la solution. Calcule de la masse de NaHSO4 (s). Calcule des concentrations [H+] en appliquant incorrectement la formule pH = -log [H+] pour les valeurs de pH. 2 Identifie correctement un des facteurs en cause. Suggère une formule qui ne correspond pas à la constante d’équilibre (inverse produits et réactifs ou omet l’une des substances). Reformule simplement les informations fournies dans les textes et les 1 illustrations sans intégrer dans son explication les concepts relatifs à l’équilibre chimique. Critères évalués Utilisation pertinente des concepts Production d’explications ou de solutions pertinentes Justification adéquate des explications 9 La grille fournie décrit les indices observables les plus signifiants de l’atteinte d’un échelon. De plus, lorsqu’indiqué, des aspects de la compétence qui sont jugés acquis à un niveau donné le sont de manière implicite dans la description des niveaux supérieurs. 19 9. Récupérer des métaux précieux a) Selon les équations de dissociation, l’anion CrO4-2(aq) serait le meilleur, puisqu’il prélève 2 ions Ag+. Ainsi, on en récupère le double sous forme de précipité que si on employait le Cl-(aq). De plus, la petite valeur de kps du Ag2CrO4 suggère que la précipitation de l’argent par l’ion CrO4-2(aq) sera plus efficace pour récupérer une plus grande quantité d’argent. b) AgCl(s) Ag+(aq) Initiale + Cl-(aq) 0 0 Réaction -x +x +x Équilibre 0 x x kps= [Ag+] x [Cl-] = 1,8 x 10 -10 Puisque [Ag+] = [Cl-] kps = [Ag+] Alors [Ag+] = 1,8 x 10 -10 [Ag+] = 1,3 x 10 -5 mol/L Ag2CrO4 (s) 2 Ag+(aq) Initiale + CrO4-2(aq) 0 0 Réaction -x +2x +x Équilibre 0 2x x kps= [Ag+]2 x [CrO4-2] = 1,4 x 10 -12 Puisque (2x)2 x (x) = 4(x)3 Alors kps = 4[Ag+]3 [Ag+] =3 1,4 x 10 -12 4 [Ag+] = 7,0 x 10 -5 mol/L c) En utilisant l’anion Cl-(aq), il reste moins d’ion Ag+(aq) en solution, donc il est possible d’en récupérer d’avantage sous la forme solide. Il n’est pas possible de le récupérer entièrement car peu importe l’ion utilisé, l’argent restera toujours faiblement soluble. 20 RÉCUPÉRER DES MÉTAUX PRÉCIEUX Calcule les concentrations d’ Ag+(aq) pour les deux sels. 510 Explique que malgré que le kps du Ag2CrO4 (s) soit plus faible, les calculs démontrent que l’ajout d’ions Cl-(aq) permettra de récupérer plus d’ions Ag+(aq). Calcule les concentrations de Ag+(aq) pour un des deux sels. 4 Les calculs peuvent comporter certaines erreurs qui peuvent influencer les explications. Toutefois, ces dernières doivent être cohérentes avec les calculs effectués. Explique que la valeur plus faible de kps du Ag2CrO4 (s) suggère que l’anion 3 CrO4-2 (aq) serait le meilleur choix pour récupérer le maximum d’ions Ag+(aq). Malgré qu’il applique les bonnes formules, ses calculs ne lui permettent pas de déterminer correctement les concentrations de Ag+(aq). 2 1 Explique que la faible solubilité des sels d’argent signifie qu’il ne sera pas possible de récupérer tout l’argent en solution. Reformule simplement les informations fournies dans les textes sans intégrer dans son explication les concepts relatifs à la solubilité. Critères évalués Utilisation pertinente des concepts Production d’explications ou de solutions pertinentes Justification adéquate des explications 10 La grille fournie décrit les indices observables les plus signifiants de l’atteinte d’un échelon. 21