TS2014 - Devoir n°5

Terminale S
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Devoir de Sciences Physiques nÀ5 : correction
Exercice I
Etat
Zn (s)
+
+
2H 3O(aq)
→
+
Zn (2aq
)
+
+
H 2(g)
2H 2 O(l)
(nZn)0
(nH3O+)0
0
0
excès
Instant t
(nZn)0 – x(t)
(nH3O+)0 – x(t)
x(t)
x(t)
excès
Etat final
(nZn)0 – xmax
(nH3O+)0 – xmax
xmax
xmax
excès
Etat initial
1.1/ D’après le tableau d’avancement de la réaction : (nH2)t = x(t)
1.2/ Par définition, le temps de demi-réaction est la durée qu’il faut pour que l’avancement de la réaction
atteigne la moitié de l’avancement maximal (xt=1/2 = xmax/2). Par lecture graphique sur la figure 2, on
détermine la valeur de l’avancement maximal : xmax = 10 mmol. On a alors : xt=1/2 = 5 mmol et t1/2 = 35 mn.
1.3/ La réaction est donc terminée au bout de 6 à 7 fois le temps de demi-réaction, soit environ 210 mn
(3h30min). On observe effectivement qu’après cette durée, l’avancement « x » a quasiment atteint sa valeur
maximale (xmax = 10 mmol).
2.1/ Le facteur cinétique étudié lors des expériences 1, 2 et 3 est la concentration en ions oxonium. Tous les
autres facteurs sont maintenus constants durant ces expériences. Plus la concentration de cet ion en solution
est élevée, plus les « rencontres » et « chocs » avec les atomes de zinc sont fréquents, et plus la réaction est
rapide. Il y a donc une corrélation entre la concentration en ions oxonium et la vitesse de réaction :
la courbe « a » correspond à la réaction la plus rapide donc à l’expérience 1 où la concentration en ions
oxonium est la plus élevée.
la courbe « b » correspond à une réaction moins rapide donc à une concentration en ions oxonium
moindre (expérience 3).
la courbe « c » correspond à la réaction la moins rapide donc à la concentration en ions oxonium la
plus basse (expérience 2).
2.2.1/ On constate, en étudiant les courbes 4 et 5 proposées, que l’état de division du zinc est un facteur qui
influence fortement la vitesse de réaction. Avec du zinc en poudre (état très divisé), la réaction est beaucoup
plus rapide qu’avec de la grenaille de zinc (état moins divisé). Pour expliquer l’influence de la température,
de la concentration ou de l’état de division, l’argument est toujours le même : la fréquence des chocs entre
atomes / molécules. Si le métal est dans un état très divisé, il offre une surface de contact plus grande à
l’acide, et donc la fréquence des chocs est plus grande et la réaction est plus rapide.
2.2.2/ On observe sur la courbe de l’expérience 6 que la réaction n’a quasiment pas lieu avec la grenaille
recouverte de carbonate de zinc. Le carbonate de zinc se forme naturellement à la surface du zinc en milieu
humide, et constitue une couche imperméable, comme un vernis, qui empêche le contact et donc les chocs
entre les ions oxonium de l’acide et les atomes de zinc. La réaction ne peut donc pas avoir lieu et le zinc est
protégé de l’acide.
3/ Les trois facteurs que nous venons d’étudier permettent d’expliquer la longévité des gouttières en zinc
face à l’eau de pluie :
tout d’abord, les eaux de pluies sont certes acidifiées par la dissolution naturelle de dioxyde de
carbone, mais leur acidité reste faible. Une concentration en ions oxonium de 1,0.10-5 mol.L-1
correspond à un pH de 5,0, ce qui n’est pas très acide. Les expériences 1, 2 et 3 ont été réalisées à des
concentrations 25000 à 50000 fois plus élevées.
ensuite, les gouttières en zinc sont à l’état solide non divisé, donc offrent le minimum de surface aux
eaux de pluie.
enfin, et surtout, les gouttières en zinc se recouvrent naturellement et rapidement après leur pose de
carbonate de zinc qui crée une couche protectrice imperméable, les protégeant de l’attaque acide des
eaux de pluies. Il ne faut donc pas faire de zèle et vouloir, pour les faire briller, les frotter pour enlever
la couche patinée qui les recouvre !
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Exercice II
L’énoncé nous indique que le pic à 1,3 min correspond à l’alcool A qui est un des deux réactifs, et que le
deuxième réactif BAIB n’est pas détecté sur le chromatogramme.
1a/ A l’instant t = 15h, le chromatogramme montre un pic à l’abscisse 1,3 min qui révèle la présence d’alcool
A. Ce réactif n’est pas totalement épuisé donc l’étudiant décide de rajouter le second réactif BAIB pour que
la transformation chimique continue.
1b/ A l’instant t = 18h, le pic à l’abscisse 1,3 min a disparu donc il n’y a plus d’alcool A. Un des réactifs
étant épuisé, la transformation chimique est terminée, il n’est pas nécessaire de rajouter l’autre réactif.
2/ Le chromatogramme présente quatre pics d’abscisses 1,0 min, 1,3 min, 1,9 min et 2,4 min. D’après
l’énoncé, le pic d’abscisse 1,3 min correspond à un réactif, l’autre réactif n’est pas détecté, et les pics à 1,0
min et 1,9 min correspondent aux deux produits de la réaction. Le pic restant à 2,4 min ne peut donc
correspondre qu’au catalyseur TEMPO.
Exercice III
1.1/
O
//
Acide éthanoïque : CH3 – C
\
OH
Butan-1-ol :
CH3 – CH2 – CH2 – CH2 – OH
1.2/ Lors d’une réaction d’estérification, un acide carboxylique perd un groupe hydroxyde –OH et fixe à sa
place un radical –O–R2 : il s’agit donc d’une réaction de substitution.
δ+
2/
δ+
δδExercice IV : partie A
1/ La fonction acide carboxylique est associée au groupe
caractéristique entouré en rouge sur la représentation ci-contre.
2/ La molécule d’ibuprofène est chirale car cette molécule possède un
carbone asymétrique, entouré en bleu sur la représentation ci-contre.
3/ Des énantiomères sont images l’un de l’autre dans un miroir mais
ne sont pas superposables.
4/ L’énantiomérie est une isomérie de configuration puisqu’il faut
rompre une liaison pour passer d’un énantiomère à un autre. On peut
passer en revanche d’un isomère à un autre par simple rotation dans
l’isomérie de conformation.
5/ Dans la représentation de Cram, un triangle plein représente par définition une liaison en avant du plan de
représentation, alors qu’un triangle hachuré représente une liaison en arrière du plan.
6/ Enantiomères de l’ibuprofène
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Exercice IV : partie B
1/ Masse d’ibuprofène à dissoudre :
m=n×M
or
n=C×V
donc
m=C×V×M
Application numérique : mibuprofène = 5,0.10-3 × 0,250 × 206 = 0,26 g
2/ Matériel nécessaire pour réaliser la dissolution :
une capsule, une spatule et une balance pour prélever l’ibuprofène.
un entonnoir, une fiole jaugée de 250 mL et de l’eau distillée pour verser dans la fiole et rincer.
un bouchon pour agiter et homogénéiser la solution.
3/ Soit AH la forme acide de l’ibuprofène et A- sa base conjuguée : AH + H2O = A- + H3O+
4/ Tableau d’avancement
Etat
Avancement
AH
Etat initial
x=0
(nAH)0
Etat final réel
x = xf
(nAH)0 – xf
x = xmax
(nAH)0 – xmax
Etat max. théorique
+
H 2O
=
excès
A-
+
H 3O +
0
0
xf
xf
xmax
xmax
5/ Si l’acide se dissocie totalement dans l’eau (réaction totale) : (nAH)0 – xmax = 0
x max ( n AH )0
=
=C A = 5,0.10−3 mol.L−1
V
V
+
− pH
A l’état final réel, le pH vaut 3,42 : [ H 3O ]f = 10
= 10−3,42 = 3,8.10−4 mol.L−1
donc (nAH)0 = xmax
et
[ H 3O + ]max =
On constate que la concentration finale en ions oxonium est très inférieure à la concentration maximale que
l’on pouvait attendre si la réaction était totale (13 fois inférieure), donc la réaction est très limitée.
L’ibuprofène est donc un acide faible, sa réaction avec l’eau n’est pas totale.
Remarque
Plutôt que de comparer les concentrations en ions oxonium aux états « final réel » et « maximal théorique »,
on peut comparer les avancements « final » et « maximal » et calculer le taux d’avancement de la réaction :
xmax = [H 3O + ]max × V = 5,0010 -3 × 0,250 = 1,25.10 -3 mol
x f = [H 3O + ] f ×V = 3,80.10 -4 × 0,250 = 9,50.10 -5 mol
Taux d’avancement : τ f =
xf
xmax
=
9,50.10 −5
= 0,076 soit 7,6%
1,25.10 −3
L’acide ne se dissocie donc qu’à 7,6%, ce qui signifie que 93,4% des molécules d’ibuprofène ne réagissent
pas avec l’eau. La réaction est donc très limitée.
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