Questions sur les conférences
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Olympiades de la Chimie, Centre de Pau – Concours 2005 Page 1/12 Union des Industries Chimiques Olympiades de la Chimie Centre de Pau XXIèmes Olympiades de la Chimie Concours 2005 des classes de terminale Prénom : ________________________________ Nom : ________________________________ Lycée : ________________________________ Professeur : ______________________________ Première partie « Chimie et habitat » Questions sur les conférences Recommandations ...................................................................................................................................... 2 Données ..................................................................................................................................................... 2 1. L’eau, notre fée du logis...................................................................................................................... 3 2. Le ciment et le plâtre........................................................................................................................... 5 3. Les matières plastiques ....................................................................................................................... 7 4. Les nettoyants ménagers ..................................................................................................................... 9 5. Les parfums synthétiques .................................................................................................................. 12 Olympiades de la Chimie, Centre de Pau – Concours 2005 Page 2/12 Recommandations Ton portable, tu éteindras. Tes voisins, tu oublieras. Tes réponses, tu justifieras. Ton écriture, tu soigneras. De l’orthographe, tu te soucieras. En silence, tu réfléchiras. Données On donne les masses molaires suivantes : M(H) = 1 g/mol M(C) = 12 g/mol M(N) = 14 g/mol M(O) = 16 g/mol M(Na) = 23 g/mol M(S) = 32 g/mol M(Cl) = 35,5 g/mol M(K) = 39 g/mol M(Ca) = 40 g/mol Olympiades de la Chimie, Centre de Pau – Concours 2005 Page 3/12 1. L’eau, notre fée du logis 1.1. Quelles sont les valeurs limites admissibles pour le pH d’une eau de piscine ? [1] 7,2 < pH < 7,6 1.2. Qu’arrive-t-il en dessous de la valeur inférieure ? [1] En dessous de 7,2 la cornée des baigneurs est attaquée (picotements). 1.3. Qu’arrive-t-il en dessus de la valeur supérieure ? [1] En dessus de 7,6 le pourcentage de HClO devient très faible, or c’est cette espèce qui a une action bactéricide. 1.4. Quelle est la relation entre les concentrations en acide hypochloreux (HClO) et ion hypochlorite (ClO–) et le pH de l’eau ? [1] pH = pKa + log([ClO–]/[HClO]) 1.5. Quel est le pourcentage de chlore actif libre à pH=7,4 ? [1] À pH = pKa = 7,4 on a log([ClO–]/[HClO]) = 0, soit [ClO–]/[HClO] = 1. [1] Il y a donc autant des deux espèces, soit un pourcentage de 50%. 1.6. Pourquoi le chlore « libre » contenu dans l’eau disparaît-il ? [1] Évaporation du chlore dans l’atmosphère [1] Oxydation de micro-organismes (bactéries, virus) [1] Oxydation de la matière organique présente dans l’eau 1.7. Pourquoi l’eau est-elle fondamentale pour la vie sur Terre ? [1] La plupart des organismes vivants (animaux, plantes) contiennent beaucoup d’eau : environ 70% dans le corps humain, 95% dans les tomates. [1] Les échanges chimiques dans le corps et avec l’extérieur ont souvent lieu grâce à l’eau. 1.8. Dans une habitation moyenne, pour quelle activité est utilisée la plus grande quantité d’eau ? [1] Pour le nettoyage, à 81%. 1.9. Qu’appelle-t-on la « dureté » d’une eau ? [1] C’est la somme des concentrations en Ca2+ et Mg2+. Olympiades de la Chimie, Centre de Pau – Concours 2005 1.10. Page 4/12 Donner la réaction permettant de diminuer la dureté calcique d’une eau contenant des ions hydrogénocarbonates. [1] Ca2+ + HCO3– + OH– → CaCO3 + H2O 1.11. Quelle est la différence entre un adoucisseur et un désioniseur ? [1] Un adoucisseur remplace les cations par des ions Na+ et les anions par des ions Cl–. [1] Un désioniseur les remplace par H+ et OH–. 1.12. Qu’est-ce que l’osmose ? [1] C’est le passage de l’eau d’un milieu peu concentré vers un milieu plus concentré, à travers une membrane à porosité très fine (voisine du nanomètre) ne laissant passer que l’eau. 1.13. Qu’est-ce que l’osmose inverse ? [1] En imposant une pression élevée à une eau chargée de sels, celle-ci traverse la membrane tandis que les impuretés et une partie des sels sont retenues par la membrane. 1.14. Citer une application de l’osmose inverse. [1] Le dessalement de l’eau de mer (procédé très efficace mais encore onéreux). 1.15. Une baignade prolongée dans l’eau de piscine rend les extrémités des doigts gonflés et blancs. Une baignade prolongée dans l’eau de mer ne produit pas ce résultat et a même un effet inverse. Expliquer cette différence. [1] L’eau de la piscine contient très peu d’ions, contrairement à l’eau de mer qui est presque saturée de sels. C’est le phénomène d’osmose qui est la cause : l’eau de piscine rentre dans la peau qui est un milieu aqueux plus concentré ; l’eau contenue dans la peau sort de la peau vers l’eau de mer qui est très concentrée. 1.16. Quel moyen est classiquement utilisé pour éliminer les taches de vin, fruits ou légumes ? [1] L’oxydation par le chlore (eau de Javel) ou le peroxyde d’hydrogène (eau oxygénée, H2O2). 1.17. Quel moyen est classiquement utilisé pour éliminer les taches d’huiles ou graisses ? [1] Utilisation de tensioactifs pour solubiliser les corps gras dans l’eau de lavage. Plus vite ! Il reste encore 8 pages ! Olympiades de la Chimie, Centre de Pau – Concours 2005 Page 5/12 2. Le ciment et le plâtre 2.1. Quel est le nom et la formule brute de la matière première utilisée pour la fabrication du plâtre ? [1] Le gypse : CaSO4, 2H2O (sulfate de calcium dihydraté). 2.2. Le composé constituant le plâtre commercial est nommé « hémihydrate ». Quelle est la formule brute ? [1] CaSO4, 1/2 H2O 2.3. Quelle est la réaction chimique ayant lieu lors de la prise du plâtre commercial ? [1] CaSO4, 1/2 H2O + 3/2 H2O → CaSO4, 2 H2O 2.4. Pourquoi le plâtre devient-il solide ? [1] Le gypse formé est peu soluble dans l’eau et cristallise. 2.5. Donner la définition de la solubilité. [1] C’est la quantité maximale de solide que l’on peut dissoudre, par unité de masse ou de volume, dans un solvant, à une température donnée. 2.6. Calculer la masse d’eau théorique nécessaire à la prise d’un kilogramme de plâtre en poudre (forme hémihydrate) à l’aide de l’équation écrite en 2.3. Mplâtre = 40 + 32 + 4x16 + 1/2 x (2x1 + 16) = 145 g/mol nplâtre = 1000 / 145 = 6,9 mol D’après l’équation chimique de la question 2.3, il faut neau = 3/2 x 6,9 = 10,34 mol. Meau = 2x1 + 16 = 18 g/mol [1] Donc : meau = 10,34 x 18 = 186 g 2.7. En pratique, il faut un peu plus d’eau que la quantité théorique calculée, pourquoi ? [1] Car le mélange doit être pâteux pour être utilisable. 2.8. Pourquoi doit-on attendre longtemps avant de tapisser ou de peindre un plâtre réalisé ? [1] Il faut attendre que l’eau en trop sorte du plâtre (séchage) sinon la tapisserie ou la peinture risque de moisir ou de se détacher. Olympiades de la Chimie, Centre de Pau – Concours 2005 2.9. Page 6/12 Quel est le pourcentage massique d’eau contenue dans un plâtre sec ? En considérant la formule du gypse (CaSO4, 2 H2O) comme celle du plâtre sec : Mgypse = 40 + 32 + 4x16 + 2 x (2x1 + 16) = 172 g/mol M2 H2O = 2 x (2x1 + 16) = 36 g/mol [1] Soit 36x100/172 = 21% d’eau 2.10. Étant donné cette quantité d’eau, pourquoi dit-on que ce plâtre est sec ? [1] Les molécules d’eau ne sont pas libres, elles sont complexées au sulfate de calcium dans un système cristallin. 2.11. La prise du plâtre est-elle endothermique ou exothermique ? [1] Exothermique. 2.12. Quels sont les deux principaux composants du ciment ? [1] CaCO3 (calcaire) et argiles (aluminosilicates). 2.13. Quel est le nom commercial du ciment ? [1] Ciment Portland. 2.14. Le ciment abîme la peau et les voies respiratoires. Son pH est-il acide ou basique ? [1] pH très basique. 2.15. Quel est le composé chimique (formule brute et nom) qui apparaît lors des réactions d’hydratation et qui est responsable de ce pH ? [1] Ca(OH)2 : hydroxyde de calcium (ou chaux éteinte). Ha ! si j’avais fait les Olympiades… Olympiades de la Chimie, Centre de Pau – Concours 2005 Page 7/12 3. Les matières plastiques 3.1. Qu’appelle-t-on un polymère ? [1] Molécule de masse molaire élevée, composée de motifs répétés (les monomères). 3.2. Qu’est-ce qu’un monomère ? [1] Une molécule utilisée comme motif élémentaire pour réaliser une polymérisation. 3.3. Qu’est-ce qu’un polymère thermoplastique ? [1] Polymère dont on peut changer la forme en le chauffant. La transformation est réversible. 3.4. Qu’est-ce qu’un polymère thermodurcissable ? [1] Polymère dont la forme est fixée par chauffage, il est ensuite impossible de changer cette forme. 3.5. Qu’est-ce qu’une polyaddition ? [1] Réaction en chaîne dans laquelle les macromolécules (ou polymères) sont formées par addition de monomères sur eux-mêmes. Les monomères sont généralement des alcènes. 3.6. Qu’est-ce qu’une polycondensation ? [1] Réaction d’addition des monomères qui fait intervenir des réactions classiques de chimie organique entre les groupes fonctionnels, avec élimination ou non d’une petite molécule. 3.7. Donner la formule semi-développée de l’éthène (également appelé éthylène) : [1] H2C=CH2 3.8. Donner le nom et la formule semi-développée du polymère formé par polymérisation de l’éthène : [1] Le polyéthylène, [-CH2–CH2-]n 3.9. Cette dernière réaction est-elle une polyaddition ou une polycondensation ? [1] Une polyaddition. 3.10. Donner le nom et la formule semi-développée du monomère qui permet de synthétiser le polystyrène : [1] Le styrène, Ph-CH=CH2, où Ph est le groupe phényle. Olympiades de la Chimie, Centre de Pau – Concours 2005 3.11. Page 8/12 Donner le nom de la fonction organique présente dans : [–CO–(CH2)4–CO–NH–(CH2)6–NH–]n [1] La fonction amide. 3.12. Donner le nom et la formule semi-développée des monomères ayant servi à obtenir ce polymère : [1] L’acide hexanedioïque, HOOC–(CH2)4–COOH [1] L’hexane-1,6-diamine, H2N–(CH2)6–NH2 3.13. Cette dernière réaction est-elle une polyaddition ou une polycondensation ? [1] Une polycondensation. 3.14. Quel est le nom le plus connu de ce polymère ? [1] Le nylon (6,6). 3.15. Donner le nom et la formule développée du monomère cyclique permettant de synthétiser le polymère [–CO–(CH2)5–NH–]n : O [1] Le caprolactame ou lactame-6, 3.16. H N Comment appelle-t-on les polymères constitués de plusieurs séquences polymériques différentes ? [1] Les co-polymères. 3.17. Comment appelle-t-on les polymères de petite taille ayant une forme d’arbre ? [1] Les dendrimères. 3.18. Certains polymères peuvent-ils conduire l’électricité ? [1] Oui, il existe des polymères conducteurs dans lesquels les doubles liaisons conjuguées permettent aux électrons de circuler. Olympiades de la Chimie, Centre de Pau – Concours 2005 Page 9/12 4. Les nettoyants ménagers 4.1. Donner la définition d’un antiseptique. [1] C’est une substance qui, par oxydation, prévient l'infection des tissus vivants en éliminant les micro-organismes ou en inactivant les virus. 4.2. Donner un exemple d’antiseptique [1] (au choix) L’alcool iodé, l’eau oxygénée à 10 volumes, le permanganate de potassium à 0,1 g.L-1 (on le trouve dans le Dakin). 4.3. Donner la définition d’un désinfectant [1] C’est une substance qui, par oxydation, détruit les germes microbiens et inactive les virus des milieux inertes contaminés. 4.4. Donner un exemple de désinfectant. [1] L’eau de Javel. 4.5. Donner la définition d’un tensioactif. [1] C’est une substance possédant deux parties : une longue chaîne (>12 carbones) (hydrophobe ou lipophile) sur laquelle est branchée une fonction polaire (hydrophile ou lipophobe). 4.6. • Donner les quatre types de tensioactifs, avec des exemples. [1] Tensioactif cationique: la fonction polaire est ionisée positivement. Exemple : ammonium quaternaire (R4N+). • [1] Tensioactif anionique: la fonction polaire est ionisée négativement. Exemple : sulfate (R–SO4–), sulfonate (R–SO3–). • [1] Tensioactif non ionique : la fonction polaire ne comporte que des charges partielles. Exemple : alcool (R-OH), éther d’éthyle (R–O–C2H5). • [1] Tensioactif amphiphile : la molécule comporte une fonction cationique et une fonction anionique. Olympiades de la Chimie, Centre de Pau – Concours 2005 4.7. Page 10/12 De quoi est constituée l’eau de Javel ? [1] L’eau de Javel est une solution aqueuse d'hypochlorite de sodium (Na+,ClO–) et de chlorure de sodium (Na+,Cl–). 4.8. En quelle année et par qui a-t-elle été découverte ? [1] Elle a été découverte en 1785 par Berthollet dans un village appelé Javel, devenu depuis le 15e arrondissement de Paris. 4.9. Quel est le couple rédox dont le constituant actif de l’eau de Javel est l’oxydant ? [1] Le constituant actif de l’eau de Javel, l’ion hypochlorite, est l’oxydant du couple ClO–/Cl–. 4.10. Sur les emballages d’eau de Javel, sous quelle forme est donnée la concentration et qu’est-ce que cela signifie ? [1] Sous forme de degré chlorométrique, qui est égal au volume de dichlore (en litre) libéré par 1 L d’eau de Javel, dans les conditions normales de températures et de pression. 4.11. Quelle est la réaction de décomposition de l’eau de Javel ? [1] ClO– + Cl– + H2O → Cl2(g) + 2 OH– 4.12. Donner la concentration d’ions hypochlorite en mol/L d’une eau de Javel à 36° chlorométrique. 1 L de solution à 36°chloré libère 36 L de Cl2 = 36 / 22,4 = 1,61 mol de Cl2 D’après l’équation ci-dessus, n(Cl2) = n(ClO–) [1] D’où : C = 1,61 mol/L 4.13. • Donner deux méthodes de fabrication de l’eau de Javel. [1] Elle est fabriquée en faisant agir du dichlore sur de la soude : Cl2 + 2 (Na+ + OH–) → (Na+ + ClO–) + (Na+ + Cl–) + H2O • [1] On peut aussi la préparer par électrolyse d'une solution de chlorure de sodium : Anode : 2 Cl– → Cl2(g) + 2 e– Cathode : 2 H2O + 2 Na+ + 2 e– → 2 (OH–, Na+) + H2(g) À la cathode, on obtient donc de la soude et à l’anode du Cl2 soluble dans l’eau. Ils diffusent l’un vers l’autre pour réagir selon l’équation donnée ci-dessus. Olympiades de la Chimie, Centre de Pau – Concours 2005 4.14. Page 11/12 Pourquoi il ne faut surtout pas mélanger l’eau de Javel avec un détartrant acide ? [1] L’eau de Javel ne doit pas être mise en présence d’acide car il se dégage alors du dichlore Cl2 très toxique, par la réaction : ClO– + Cl– + 2 H+ → Cl2(g) + 2 H2O Il faut aussi éviter son contact prolongé avec la peau et les muqueuses. 4.15. Revenons aux tensioactifs ! Comment se place une molécule tensioactive à l’interface eau/huile (faire un schéma explicite) ? Huile ou air Eau Quelques molécules sont dispersées dans l’eau [1] 4.16. Les tensioactifs perdent de leur efficacité dans une eau dure et peuvent former des composés solides qui bouchent les canalisations. Comment peut-on éviter cela ? [1] En ajoutant au détergent un composé capable de complexer les ions calcium et magnésium comme le phosphate de sodium. Olympiades de la Chimie, Centre de Pau – Concours 2005 Page 12/12 5. Les parfums synthétiques 5.1. Dans une estérification, à quoi sert l’acide sulfurique ? [1] À catalyser la réaction chimique. 5.2. Quel est le moyen physique d’augmenter la vitesse de la réaction ? [1] En chauffant. 5.3. Quelle est la particularité de la réaction d’estérification ? [1] Elle est équilibrée et non totale. 5.4. Comment peut-on déplacer l’équilibre de la réaction vers les produits ? [1] En éliminant l’eau au fur et à mesure qu’elle se forme. On peut arriver à une estérification totale par cette méthode. 5.5. À partir de quels réactifs peut-on obtenir un ester par une réaction totale ? [1] Un chlorure d’acyle (ou un anhydride d’acide) et un alcool. 5.6. Comment appelle-t-on la réaction : R1–COO–R2 + R3–OH Δ R1–COO–R3 + R2–OH ? [1] Une trans-estérification. 5.7. Pourquoi un parfum bon marché contenant des esters peut donner des irritations et une odeur désagréable, lorsqu’il est appliqué sur une peau acide ? [1] En présence d’eau (la peau est humide) et en milieu acide, un ester redonne l’acide carboxylique et l’alcool. Ces derniers sont irritants pour la peau et peuvent avoir une odeur désagréable.
