Olympiades de chimie 2005-2006 : chimie et habitat

Académie de Rennes
Olympiades de chimie 2005-2006 : chimie et habitat
Concours régional
Durée 2h30
NOM :
Prénom :
Lycée :
NB le sujet s’inspire des différents TP et de la conférence. Les questions sont indépendantes.
Les réponses (pas de calculs sur la copie) doivent exclusivement être données dans les emplacements prévus à
cet effet sans trop de développements.
1ère partie : l’eau
A -DURETE DE L’EAU
L’eau du robinet est souvent dure à cause du sous sol calcaire. On trouve dans le Nord une eau dont la dureté
est la plus importante de France. La dureté d'une eau est égale à la somme des concentrations en ions Mg2+ et
Ca2+ exprimée en mol.L-1. En France, cette dureté est donnée par le titre hydrotimétrique (TH) : TH = 104 x C
(où C est la somme des concentrations en ions Mg2+ et Ca2+ exprimée en mol.L-1).
Une eau est qualifiée de « douce » si son TH est inférieur à 12 ; elle est dite « dure » si son TH est supérieur à
12, voire « très dure » s’il est supérieur à 35.
La dureté d’une eau est déterminée par dosage avec une solution de sel disodique de l’EDTA en milieu
tamponné de pH = 10 en présence de noir ériochrome T (NET).
On notera M2+ indifféremment les ions Ca2+ ou Mg2+
L’EDTA est un tétracide que nous noterons H4Y. Les pKa des 4 couples acido-basiques de l’EDTA sont :
pKa1=2,0 ; pKa2=2,7 ; pKa3=6,2 ; pKa4=10,3.
Le noir ériochrome T est aussi un polyacide que nous noterons H3In dont la forme prépondérante dépend du
pH de la solution :
H2In-
H3In
HIn2-
rouge
In3-
bleu
2,0
pH
orangé
11,6
6,3
Le NET complexe les cations M2+ pour donner l’espèce MIn- de couleur rouge-violet, stable quel que soit le pH.
Ce complexe ne peut être détruit que par un complexant plus fort, l’EDTA, lorsqu’il n’y a plus d’ions M2+ libres.
1. Sur un axe horizontal gradué en pH, représenter les domaines de prédominance des 5 espèces sous lesquelles
on peut trouver l’EDTA. Entourer l’espèce prédominante au pH auquel est effectué le dosage.
______________________2___________2.,7_________6,2_________10,3______________
H 4Y
H3Y-
H2Y2-
HY3-
Y4- pH
HY32. Ecrire l’équation de la réaction de titrage à pH =10
M2+ + HY3- = MY2- + H+
-1-
On dose de l’eau du robinet (volume V = 10,00 mL) en présence de traces de NET et de 20 mL de solution
tampon à pH = 10 par une solution d’EDTA de concentration C’ = 2,00.10-3 mol.L-1. Il y a équivalence pour un
volume d’EDTA VE = 21,0 mL.
3. Quelle est la couleur de la solution avant l’équivalence ? A quelle espèce est-elle due ? Expliquer en donnant
l’équation de la réaction de complexation de M2+ par l’espèce prédominante du NET au pH du dosage.
Avant l’équivalence la couleur est rouge-violet.
C’est la couleur de MIn-.
HIn2- + M2+ = MIn- + H+
Bleu
rouge
4. Quelle est la couleur de la solution après l’équivalence ? A quelle espèce est-elle due ? Expliquer en écrivant
l’équation de la réaction responsable du changement de couleur.
Après l’équivalence la solution est bleue
C’est la couleur de l’indicateur seul HIn2- à pH = 10
A l’équivalence, l’EDTA qui forme un complexe très stable avec M2+ détruit le complexe MIn- selon
MIn- + HY3- = MY2-+ HIn2rouge +stable bleu
5. Pourquoi est-il nécessaire de tamponner le milieu ?
La réaction de dosage libère des H+ (voir 2.)
Si le milieu n’est pas tamponné ces H+ libérés font baisser le pH
Si le pH devient inférieur à 6,3 l’indicateur coloré libre est sous la forme H2In- rouge et on ne perçoit plus de
changement entre la couleur de MIn- et celle de H2In- ; d’autre part les complexes sont instables en milieu trop
acide ( on forme H4Y).
En milieu trop basique, on forme les hydroxydes des cations M(OH)2
6. Déterminer la concentration totale C en ions calcium et magnésium de l’eau analysée :
A l’équivalence du dosage la quantité d’EDTA introduite est égale à la quantité d’ion M2+ initialement présents :
C’.VE = C.V
C = 4,2.10-3 mol.L-1
7. Déterminer le titre hydrotimétrique (°TH) de l’eau. Conclusion ?
°TH = C.104 = 42
On a affaire à une eau très dure
Une eau dure ne présente aucun danger pour la santé et peut donc être consommée en tant qu’eau de boisson
mais elle entraîne l’entartrage des appareils dans lesquels elle est chauffée (bouilloire, cafetière électrique, lavelinge, lave-vaisselle…) ou la formation de traces blanchâtres sur les surfaces lavées (verres, lavabos,
robinetterie).
L’entartrage des installations présente de nombreux inconvénients : le rendement des appareils électroménagers
se trouve ainsi réduit de manière importante (surconsommation d’énergie car les résistances entartrées sont de
moins bons conducteurs thermiques), il est nécessaire d’éliminer le tartre ou de changer fréquemment les
résistances chauffantes. Le lavage du linge nécessite également de plus grandes quantités de détergent.
B - SOURCE DU DEPOT DE TARTRE DANS LES APPAREILS DOMESTIQUES
1. Les eaux naturelles, en traversant des couches riches en carbonate de calcium, en dissolvent une très faible
quantité. Donner l’équation chimique associée à cette transformation.
2+
CaCO3 (s) = Ca (d) + CO3
2-
(d) (notation (d) pour dissous non exigée)
2. Les eaux naturelles dissolvent également de petites quantités le dioxyde de carbone dissous sous forme
d’acide carbonique H2CO3 (H2O+CO2). Quelle réaction acido-basique observera-t-on dans une eau naturelle ?
2-
pKa(CO2/HCO3- )= 6,4 et pKa(HCO3- /CO3 ) = 10,3
-2-
2-
CO2 + CO3 + H2O = 2 HCO33. Les eaux dures sont à l'origine d'inconvénients majeurs, tels que l'entartrage des canalisations. A quel(s)
composé(s) chimique(s) est dû l'entartrage ? Ecrire l’équation de formation du dépôt.
Carbonate de calcium (CaCO3) et éventuellement carbonate de magnésium (MgCO3)
Ca2+ (aq)+ CO32- (aq)= CaCO3(s)
4.« Le lavage du linge nécessite également de plus grandes quantités de détergent. »
Les pains de savons sont un mélange de carboxylates de sodium. L’ion carboxylate est le principe actif
de l’eau savonneuse, il permet l’action détergente. Pourquoi l’eau dure diminue-t-elle l’action détergente des
savons ?
Les ions calcium ou magnésium d’une eau dure précipitent avec les ions carboxylates
et diminuent ainsi la concentration en détergent dans l’eau de lavage, donc l’efficacité du lavage
DETARTRAGE D’UNE CAFETIERE ELECTRIQUE
Pour détartrer une cafetière électrique on peut utiliser des produits détartrants du commerce : solution d’acide
phosphorique, poudre d’acide sulfamique ou tout simplement du vinaigre.
5. Ecrire la réaction qui se produit entre un détartrant et le « tartre » de la cafetière électrique. L’acide détartrant
sera noté AH. Quel est l’acide carboxylique présent dans le vinaigre? Quelle est la nature de cette réaction? On
observe une effervescence : quelle est l’espèce produite?
Le détartrant est un acide AH. Il se produit une réaction acide base :
2 HA(aq) + CaCO3(s) = 2 A-(aq) + CO2(g) + H2O + Ca2+(aq)
Acide du vinaigre = acide éthanoïque ou
On observe une effervescence due au dégagement de CO2 gazeux.
Une poudre détartrante du commerce contient de l’acide sulfamique. Pour déterminer si l’acide sulfamique est
pur on réalise un dosage de la poudre. La formule de l’acide sulfamique est H2N-SO3H mais il est totalement
dissocié dans l’eau càd qu’il est transformé en H3O+. Sa masse molaire est M = 97,1g.mol-1. La solution S à
doser est préparée en dissolvant 2,00 g de détartrant pour obtenir 250 mL de solution et en diluant ensuite la
solution obtenue 10 fois. On ajoute 150 mL d’eau distillée à un prélèvement de 10,0 mL de la solution S de
détartrant. On réalise un titrage acido-basique par une solution d’hydroxyde de sodium de concentration molaire
CB = 1,00.10-2 mol.L-1. Le suivi se fait par conductimétrie et on détermine l’équivalence pour VBE = 7,1 mL.
Données : Conductivités molaires ioniques λ(H3O+) = 35,0.10-3 S.m2.mol-1
λ(Na+) = 5,01.10-3 S.m2.mol-1 λ(HO-) = 19,9.10-3 S.m2.mol-1
t i t r a g e d 'u n e s o lu t i o n d e d é t a r t r a n t
conductivité (en microsiemens/cm)
175
150
125
100
75
50
25
0
0
1
2
3
4
5
6
7
8
9
10
11
12
13
14
v o lu m e d e s o u d e v e r s é e (e n m L )
-3-
15
16
17
18
19
20
21
6. Ecrire l’équation de la réaction de dosage :
H3O+ + HO- = 2 H2O
(ou H+ + HO- = H2O)
7. Justifier la décroissance de la conductivité avant l’équivalence :
Lorsqu’on introduit par la burette des ions Na+ et HO-, les ions HO- réagissent avec autant de H3O+
Conséquence : des ions H3O+ se trouvent « remplacés » par la même quantité d’ions Na+ de conductivité molaire
inférieure : la conductivité de la solution diminue.
8. Justifier l’augmentation de conductivité après l’équivalence :
On ajoute des ions Na+ et HO- qui ne sont pas consommés
Comme le nombre d’ions augmente sans que le volume augmente sensiblement (il y a beaucoup d’eau), la
conductivité de la solution augmente.
9. Déterminer la quantité de matière de soude, puis la quantité, exprimée en mole, d’acide sulfamique dosé ds les
10 mL de solution:
A l’équivalence la quantité de HO- introduite est égale à la quantité de H3O+ initialement présente
et donc à la quantité de HA dissoute
Donc n(HA) = CB.VB = 7,1.10-3.1,00.10-2 = 7,1.10-5 mol
10. En déduire la masse d’acide sulfamique dans la poudre dissoute. Conclusion ?
Masse d’acide sulfamique dans le bécher m(HA) = M(HA).n(HA) = 6,9.10-3 g
Masse d’acide sulfamique dans l’échantillon dissous = (m(HA)/10*10-3)*10*250*10-3 = 1,7 g
Conclusion : l’acide sulfamique n’est pas le seul constituant de la poudre de détartrant analysée
ETUDE D’UN ADOUCISSEUR D’EAU DOMESTIQUE
Principe de fonctionnement
L’adoucissement d’une eau consiste à remplacer ses cations Ca2+ et Mg2+ par des ions sodium Na+ car les ions
sodium, contrairement aux ions calcium et magnésium, ne provoquent pas l’entartrage des canalisations.
11. Pourquoi n’y a-t-il pas le même phénomène d’entartrage avec les ions sodium ?
Le carbonate de sodium est très soluble dans l’eau alors que les carbonates de calcium et de magnésium sont
moins solubles.
De nombreux adoucisseurs contiennent des résines échangeuses d’ions, et plus précisément des résines
échangeuses de cations. Une résine échangeuse d’ions est un solide insoluble qui, au contact d’une solution,
peut échanger les ions qu’il contient avec d’autres ions de même signe provenant de la solution. Ce phénomène
est réversible. .
Ecrire les équations des réactions d’échange d’ions réalisés au cours de l’adoucissement d’une eau dure. La
formule initiale de la résine est (RSO3-, Na+).
2(RSO3-, Na+ ) + M2+ = (2 RSO3-, M2+ ) +2Na+
-4-
QUESTIONS GENERALES SUR L’EAU
1. Une eau dite potable doit posséder une faible dureté, une faible teneur en sels minéraux, ne pas présenter de
concentrations en substances toxiques ou indésirables supérieures aux normes qui ont été déterminées en tenant
compte de la toxicité connue du produit, enfin une pureté bactériologique. Ecrire les formules chimiques ou
symboles des espèces suivantes toxiques ou indésirables dans l’eau de consommation : ion nitrate, ion nitrite, ion
phosphate, le mercure , le plomb …
NO3-, NO2-, PO43-, Hg, Pb
2. Les eaux naturelles peuvent être polluées par les engrais. Quelle est la teneur en ion nitrate à ne pas dépasser,
exprimée en mg.L-1 : 80 ? 50 ? 20? 0,2 ?
50mg.L-1
3. Les ions nitrate peuvent être transformés en ions nitrite. Ecrire l’équation de la demi-réaction correspondant à
ce couple oxydant/réducteur, préciser quel est l’oxydant du couple
(Oxydant) NO3-+2H++2 e- = NO2-+H2O (Réducteur)
4. Une eau trop riche en ions nitrate ou nitrite est dangereuse. Elle est responsable de la méthémoglobinémie,
maladie (difficulté à respirer et vertiges) due à une hémoglobine dont le fer ferreux a été oxydé en fer ferrique, ce
qui la rend impropre au transport de l’oxygène des poumons aux muscles ; le taux en ions nitrate peut être
diminué par des processus mettant en jeu des bactéries anaérobies.
Que signifie anaérobie ?
Vivant en l’absence d’air
Les ions nitrate peuvent être transformés en diazote , ce qui est utilisé dans le traitement des eaux usées
S’agit-il d’une réaction de réduction ou d’oxydation ?
2 NO3-+12H++10e- = N2 + 3H2O
Réduction (le NO passe de 5 à 0)
2è partie : les polymères
a) Attribuer son nom à chaque polymère
Motif
Nom
-(CH2-CHPh)-
polystyrène
-(CH2-CHCl)-
polychlorure de vinyle
-(CH2-CH2)-
polyéthylène
-(CH2-CH=C(CH3)-CH2)-
polyisoprène
-(CO-(CH2)4CONH(CH2)6NH)-
Polyamide
-(OSiR2O)-
polysiloxane
On donne : Noms : 1- polyéthylène ; 2- polychlorure de vinyle ; 3- polyamide (nylon 6,6) ; 4- polystyrène ; 5polyisoprène (caoutchouc) ; 6- polysiloxane (silicone)
-5-
b) Définir un matériau thermoplastique et un matériau thermodurcissable
Lequel peut être recyclé plus facilement ?
Un matériau thermoplastique ramollit à la chaleur alors qu’un thermodurcissable durcit
Il est plus facile de recycler les thermoplastiques
c) Quelle est la différence entre une réaction de polyaddition et une réaction de polycondensation ?
Donner un exemple polymère formé par chaque type de réaction
Polymérisation = addition càd qu’on part d’un composé possédant une double liaison Ex polyéthylène
Polycondensation = réaction avec élimination d’une petite molécule Ex polyesters
2. Applications
a) Masse molaire, degré de polymérisation et formule
1-Soit un échantillon de polymère dont la masse molaire est égale à 20 kg/mol,Donner sa formule et son motif
sachant que son degré de polymérisation n de cet échantillon est 322 et qu’il contient 56 % de chlore et 39 % de
carbone en masse( le reste étant de l’hydrogène).
2-Quel est son nom usuel et son abréviation ?
3- Quel est le monomère nécessaire à sa synthèse (nom officiel et formule chimique)
4- Quelle est la couleur caractéristique de la flamme obtenue en brûlant ce polymère ?
5- Ce polymère est-il dangereux pour l’environnement et pourquoi ?
(Masses molaires en g/mol : H : 1 ; C : 12 ; Cl : 35)
M(mono) = 20000/322 = 62 donc n seul atome de Cl , 2 atomes de C et 3 d’H
1-Polymère = (CH2-CHCl)
2- polychlorure de vinyle PVC
3- CH2=CHCl chloroéthène
4- flamme orangée bordée de vert (présence de Chlore)
5- Dangereux car dégagement de composés chlorés (HCl)
b) Les polyamides
c.1 Définir la fonction amide. Comment peut-on la former à partir de composés organiques simples
En déduire les produits nécessaires à la fabrication du nylon 6-6
Amide = -CONHAmine +acide (ou chlorure d’acyle)
RNH2 + RCOOH→ RNHCOR+ H2O
Cf TP hexaméthylène diamine : : H2N-(CH2)6NH2
Acide adipique ou hexanedioïque HOOC-(CH2)4COOH
c) synthèse d’un matériau polymère transparent
-6-
Les pictogrammes précédents sont présent sur la bouteille de méthacrylate de méthyle nécessaire à la formation
du polymère. Donner leur signification et les précautions à prendre.
On ajoute un produit au monomère avant de chauffer le mélange dans un tube à essai.
Quel est-il et à quoi sert-il ?
Le polymère obtenu est un matériau utilisé pour favriquer des vitres incassables
Donner son nom chimique (officiel) et son nom commercial
Irritant (manipuler sous une hotte)
Inflammable (éviter toute flamme)
On ajoute du peroxyde de benzoyle initiateur qui permet d’amorcer la réaction en chaîne
Polyméthacrylate de méthyle ou plexi-glass
d) Les peintures communément appelées laques glycérophtaliques utilisent des composés résultant de la
polymérisation entre l’anhydride phtalique et le glycérol. La 1ère étape est décrite ci-dessous :
OH
HO
O
O
OH
O + HO
O
OH
OH
O
O
De quelle famille de polymères le composé obtenu fait-il partie ? pourquoi a-t-on un polymère
tridimensionnel ?
Citer des produits de consommation courante faisant partie de cette famille.
Polyesters. Tridimensionnel car triol
Textiles (fibres = polyesters linéaires)
e) additifs
On ajoute aux composés des adjuvants comme des ignifugeants ou des plastifiants
Expliquer leurs rôles respectifs
Ignifugeant = rend ininflammable
Plastifiant = rend plus plastique (moulage)
3ème partie : peintures et vernis
a)Le plomb a été utilisé pour fabriquer les canalisations destinées à véhiculer l’eau. Celles-ci dégradent l’eau
distribuée qui peut alors présenter un risque pour la santé .
Au XIXème siècle et au début du XXème siècle, le plomb a été couramment utilisé dans la fabrication des
peintures parce qu’il offrait une bonne protection des supports et une bonne tenue des peintures.
Au-delà d’un certain seuil, l’ingestion ou l’inhalation de plomb est toxique. Elle provoque des troubles
réversibles (anémie, troubles digestifs, …) ou irréversibles (atteinte du système nerveux) .
Quel nom attribue-t-on aux intoxications par le plomb
saturnisme
-7-
b) Les teintes sont obtenues grâce à des pigments.
A chaque pigment, associer sa couleur parmi les suivantes : blanc, bleu, jaune, rouge, vert.
Pigment
Couleur
Chromate de plomb
jaune
Oxyde de fer (III)
rouge
Aluminate de Cobalt
bleu
Oxyde de zinc
blanc
Oxyde de chrome (III)
vert
c) L’oxyde de zinc est un oxyde amphotère. Que signifie amphotère?
Donner un autre exemple de composé amphotère
Caractère à la fois acide et basique
H2O ou HCO3d) LES PEINTURES QCM : entourer la ou les réponses correctes.
1.
La tempera, liant utilisé dès l’antiquité, est une détrempe à base :
A)
B)
C)
D)
2.
Les huiles utilisées comme liant des peintures sont principalement constituées :
A)
B)
C)
D)
3.
d'esters d’acides gras.
d’acides gras libres.
de protéines.
de glycérol libre.
Que signifie C.O.V. :
A)
B)
C)
D)
4.
d’huile de lin.
d’œuf.
de poudre d’os.
de jus d’oignon.
Carbone, Oxyde, Vanadium
Composé organique visqueux
Composé organique volatil
Composé organique vitreux
Parmi les caractéristiques citées, choisir celles qui peuvent s’appliquer à un pigment ?
(plusieurs réponses possibles)
A)
B)
C)
D)
E)
composé organique soluble
corps gras
composé minéral
inerte chimiquement
poudre fine insoluble
-8-
5.
Quelles sont les composants interdits dans la peinture grand public ? (plusieurs réponses)
A)
B)
C)
D)
Aluminium
Benzène
Zinc
Plomb
e) Estérification à partir d’un acide au four à micro onde.
On fait réagir l’acide éthanoïque avec le 3-méthylbutan-1-ol qui produit l’éthanoate de 3-méthylbutyle à forte
odeur fruitée.
Il faut que l’ester synthétisé soit à longue chaîne de manière à ce que les températures d’ébullition de l’acide, de
l’alcool et de l’ester formé soient supérieures à celle de l’eau. Ainsi au cours du chauffage, seules les molécules
d’eau vont s’évaporer, ce qui déplace l’équilibre d’estérification jusqu’à pouvoir obtenir un rendement proche de
100%.
On rappelle en effet que lors du chauffage par micro onde, seules les molécules d’eau sont mises en jeu, et que
c’est leur passage à l’état de vapeur qui chauffe l’aliment (et donc souvent le dessèche).
On donne les caractéristiques suivantes des réactifs et des produits :
Molécules
Masse molaire Densité Température d’ébullition.
(g.mol-1)
Acide éthanoïque
60
1,05
118°C
3-méthylbutan-1-ol
88
0,81
130°C
Ethanoate de 3-méthylbutyle
130
0,87
142°C
Placer dans un erlenmeyer 9 mL d’acide éthanoïque glacial et 18 mL d’alcool.
Ajouter 5 ou 6 gouttes d’acide sulfurique concentré (mettre les lunettes et les gants)
.Placer le tout dans un four micro onde pendant 3 à 4 mn (puissance 500 W).
Ouvrir le four et vérifier l’odeur caractéristique de l’ester formé.
Après purification on obtient 7g de produit pur caractérisé par sa température d’ébullition
questions
-Ecrire l’équation de l’estérification.
-Calculez les quantités d’acide et d’alcool introduites ? Quel réactif a été introduit en excès ? Pourquoi ?
-Quelle quantité d’ester peut être théoriquement obtenue ?
-Quel est le rendement de l’estérification ?
CH3COOH+HOCH2CH2CH(CH3)2 → H2O + CH3COOCH2CH2CH(CH3)2
n(acide) = 0,1575 mol
n(alcool) = 0,1657
L’alcool est en léger excès ce qui déplace l’équilibre vers la droite
n max(ester) = 0.1575 mol soit 20,48g
rendement = 7/20,48 soit 34%
-9-
4è partie : les Bétons et les ciments
Quels sont les 2 matériaux naturels à la base de la fabrication du ciment ?
argile et calcaire
Quels sont les 4 composants d'un béton ? quels sont les 3 principaux éléments chimiques présents?
Qu’est –ce que du béton armé
Eau ciment sable et gravier
Ca, Si et O
Béton renforcé par de l’acier
Qu'est-ce qu'un liant hydraulique ?
C’est un matériau minéral finement moulu qui, mélangé avec de l'eau, forme une pâte qui fait prise et durcit par
suite de réactions et de processus d'hydratation. Apres durcissement, il conserve sa résistance et sa stabilité
même sous l'eau
Qu'est ce que la surface spécifique d'une poudre ? (donner la définition )
La calculer pour un cube de côté 10cm et de masse 5 kg puis pour 1000 petits cubes de 1cm de côté. Conclure
surface de contact/ masse
1 cube S= 600cm2 donc S/m = 120 cm2/kg
1000 cubes S =6000 cm2 donc S/m = 1200 cm2/kg
On augmente la surface spécifique en divisant la matière (en général plutôt billes sphériques)
Quelles sont les évolutions futures les plus probables du matériau béton ?
plus fluide, moins de ciment et ajout de fibres naturels ou artificiels
FIN
____________________________
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