e2 11-12 - Collège des Saints-Coeurs

Collège des Saints-Cœurs
Sioufi
Examen 2, mai 2012
Classe : 3e
Durée : 60 minutes
Chimie
Cette épreuve est constituée de trois exercices.
Elle comporte deux pages numérotées 1/2 et 2/2.
L’usage de la calculatrice n’est pas autorisé.
Premier exercice : Liaisons chimiques (6 points)
Cet extrait du tableau périodique montre la classification de quelques éléments chimiques.
Groupe
Colonne
1re période
2e période
3e période
I
1
II
2
III
13
IV
14
V
15
VI
16
VII
17
VIII
18
He
C
Mg
P
F
Cl
1. Déterminer le numéro atomique du phosphore (P).
2. Donner la représentation de Lewis de chacun des atomes suivants : He, Mg, C et F.
3. Expliquer la liaison chimique établie entre le magnésium (Mg) et le fluor (F). Donner la formule
ionique et la formule statistique du composé formé.
4. Le dichlorodifluorométhane (CFC), ayant comme nom commercial fréon, est un dérivé halogéné
du méthane utilisé dans les congélateurs et les bombes aérosols. Ce composé est formé lors de la
réaction du méthane avec deux halogènes : le fluor (F) et le chlore (Cl).
a. Donner le nom du type de réaction entre le méthane et les halogènes.
b. Écrire la formule structurale de la molécule de CFC.
c. Les CFC sont responsables d’un problème de pollution assez important : le trou d’ozone.
Citer les effets de ce problème.
5. Préciser, sans calcul, quelle masse contient la plus grande quantité de matière : 1 g de fluor ou 1g
de chlore. On donne : M(F) = 19 g/mol ; M(Cl) = 35 g/mol.
Deuxième exercice : Fonctionnement de la pile Aluminium - Zinc (7 points)
L’équation-bilan non équilibrée de la réaction de fonctionnement de la pile Al - Zn est la suivante :
Al + Zn2+ → Al3+ + Zn
1. Citer le matériel nécessaire à la réalisation de cette pile.
2. Préciser la nature des deux électrodes de la pile.
3. Décrire le protocole expérimental de la construction de cette pile.
4. Écrire la demi-équation électronique de la réaction qui se déroule au niveau de chaque électrode.
5. Indiquer l’oxydant et le réducteur dans cette pile.
1/2
6. Réécrire l’équation-bilan équilibrée. Comment appelle-t-on ce type de réaction ?
7. Donner la représentation schématique de la pile Al - Zn.
Troisième exercice : Pétrole et composés organiques (7 points)
Le pétrole brut est traité dans la raffinerie. Les constituants du pétrole brut sont ainsi séparés en
différentes coupes. Chaque coupe contient un mélange d’hydrocarbures.
1. Donner le nom de la technique utilisée pour séparer les constituants du pétrole brut en différentes
coupes.
2. Parmi les hydrocarbures recueillis dans les coupes, on cite : le propane, le pentane et l’heptane.
a. Écrire la formule moléculaire de chaque hydrocarbure.
b. On donne les points d’ébullition suivants : 98 oC, -42 oC et 36 oC. Attribuer à chacun des trois
hydrocarbures le point d’ébullition convenable.
3. Le propane brûle complètement dans le dioxygène de l’air. Écrire l’équation-bilan équilibrée de
la combustion complète du propane.
4. Le craquage d’une molécule d’heptane produit une molécule d’éthylène et une molécule d’un
hydrocarbure (A) de formule CxHy.
a. Écrire l’équation de craquage de l’heptane. Trouver la formule moléculaire de (A).
b. Écrire toutes les formules semi-développées de (A) et donner le nom de chacune d’elles.
Comment appelle-t-on ces différentes formules structurales ?
5. L’éthylène subit les deux réactions d’addition suivantes :
(1) Éthylène + HCl → (B)
(2) Éthylène + H2O → (C)
a. Compléter ces deux équations en utilisant les formules semi-développées.
b. Donner les noms des produits (B) et (C).
c. À quelle classe appartient (C) ? Donner le nom de son groupe fonctionnel.
BON TRAVAIL !
2/2
Classe de 3e
Examen 2, mai 2012
Chimie
Corrigé
Barème
Premier exercice : Liaisons chimiques (6 points)
1. Numéro atomique du phosphore
Le phosphore est casé dans la 3e période et dans le groupe V. Donc l’atome de phosphore a
3 niveaux d’énergie (3e période) et 5 électrons (e-) périphériques (groupe V). La configuration
électronique de cet atome est : K2 L8 M5. Il a 15 électrons, donc 15 protons, puisque l’atome est
électriquement neutre. Comme le nombre de protons représente le numéro atomique d’un élément,
on déduit que le numéro atomique du phosphore est : Z = 15.
2. Représentations de Lewis des atomes
Dans la représentation de Lewis, le symbole de l’élément est entouré des électrons externes de
l’atome de cet élément. Or, le nombre d’électrons externes est égal au numéro du groupe. Ainsi,
les représentations des 4 atomes cités sont respectivement :
He (saturé à 2 e-) ; Mg (2 e- externes) ; C (4 e- externes) ; F (7 e- externes).
3. Liaison chimique entre Mg et F
Pour réaliser l’octet et saturer son niveau périphérique à 8 e- :
- l’atome de magnésium cède ses 2 e- de valence et devient un cation Mg2+ (magnésium) ;
- l’atome de fluor gagne 1 e- et devient un anion F- (fluorure).
Ainsi, il s’établit une liaison ionique entre le magnésium et le fluor : 1 ion Mg2+ et 2 ions Fs’attirent et forment un composé ionique de formule ionique (Mg2+, 2 F-) et de formule statistique
MgF2.
4. Formation du CFC et le trou d’ozone
a. Les réactions entre le méthane et les halogènes sont des réactions de substitution : un ou
plusieurs atomes d’hydrogène sont remplacés par des atomes d’halogènes.
b. Le nom systématique de la molécule de CFC (dichlorodifluorométhane)
Cl
montre que cette molécule renferme 1 atome C (dérivé du méthane), 2
F – C – Cl
atomes Cl et 2 atomes F. Sa formule structurale est représentée ci-contre.
c. Le trou d’ozone laisse passer une quantité considérable de rayons
F
ultraviolets ce qui peut provoquer des cancers de peau.
5. Comparaison des quantités de matière
La quantité de matière (n) est le quotient de la masse donnée (m) par la masse molaire (M) :
m
1
1
1
1
>
et n(Cl) = . Or :
n = . On peut écrire : n(F) =
19
35
M
19 35
Donc 1 g de fluor contient une plus grande quantité de matière que 1 g de chlore.
1 pt
1 pt
½ pt
1 pt
½ pt
½ pt
½ pt
1 pt
Deuxième exercice : Fonctionnement de la pile Aluminium - Zinc (7 points)
1. Matériel nécessaire à la réalisation de la pile Al - Zn
- deux béchers ;
- une lame d’aluminium ;
- un pont salin ;
- une lame de zinc ;
- une lampe (voltmètre ou ampèremètre) ;
- une solution contenant des ions Al3+ ;
- deux fils de connexion ;
- une solution contenant des ions Zn2+.
2. Nature des électrodes de la pile
Dans une pile, le métal constituant l’anode est oxydé alors que les cations de la solution entourant
la cathode sont réduits. Or, l’équation-bilan de la réaction de fonctionnement de la pile Al - Zn
montre que Al est oxydé (Il se transforme en Al3+ par perte d’électrons) et Zn2+ est réduit (Il se
transforme en Zn par gain d’électrons). On déduit alors que, dans cette pile, la lame d’aluminium
constitue l’anode ou le pôle négatif et la lame de zinc constitue la cathode ou le pôle positif.
3. Protocole expérimental de la construction de la pile
On plonge la lame d’aluminium dans la solution de Al3+ contenue dans un bécher et la lame de
zinc dans la solution de Zn2+ contenue dans l’autre bécher. On relie les deux solutions avec le pont
salin et on relie chaque électrode à une borne de la lampe à l’aide d’un fil de connexion.
1 pt
1 pt
1 pt
1/2
Corrigé
4. Demi-équations électroniques
Demi-équation à l’anode : Al → Al3+ + 3 e- ou 2 Al → 2 Al3+ + 6 e- (Oxydation)
Demi-équation à la cathode : Zn2+ + 2 e- → Zn ou 3 Zn2+ + 6 e- → 3 Zn (Réduction)
5. Oxydant et réducteur
L’oxydant est l’espèce chimique réduite qui gagne des électrons. Donc c’est l’ion zinc Zn2+ qui est
l’oxydant dans cette pile.
Le réducteur est l’espèce chimique oxydée qui perd des électrons. Donc c’est l’atome
d’aluminium Al qui est le réducteur dans cette pile.
Barème
½ pt
½ pt
½ pt
½ pt
6. Équation-bilan équilibrée et type de réaction
2 Al + 3 Zn2+ → 2 Al3+ + 3 Zn
C’est une réaction d’oxydoréduction car il y a simultanément oxydation et réduction.
¾ pt
½ pt
7. Représentation schématique de la pile Al - Zn
Al / Al3+ | | Zn2+ / Zn ou Al / Al3+ - pont salin - Zn2+ / Zn
¾ pt
Troisième exercice : Pétrole et composés organiques (7 points)
1. Technique utilisée pour séparer les constituants du pétrole brut
La distillation fractionnée permet de séparer les constituants du pétrole brut en coupes.
2. Formules et points d’ébullition des alcanes
a. Le propane, le pentane et l’heptane sont des alcanes répondant à la formule CnH2n+2. Ces trois
alcanes ont respectivement 3, 5 et 7 atomes de carbone. Leurs formules moléculaires
respectives sont : C3H8 (propane), C5H12 (pentane) et C7H16 (heptane).
b. La température d’ébullition d’un alcane augmente lorsque n augmente. Alors, les points
d’ébullition de ces trois alcanes sont respectivement : -42 oC pour le propane (n = 3), 36 oC
pour le pentane (n = 5) et 98 oC pour l’heptane (n = 7).
3. Équation-bilan de la combustion complète du propane
C3H8 + 5 O2 → 3 CO2 + 4 H2O
CH3
¾ pt
½ pt
½ pt
4. Craquage de l’heptane
a. L’éthylène ou éthène est un alcène (CnH2n) de formule C2H4.
L’équation-bilan du craquage de l’heptane est la suivante : C7H16 → C2H4 + CxHy
Or, dans une réaction chimique, la masse est conservée : le nombre d’atomes de chaque
élément (C et H) est conservé. Ainsi : x + 2 = 7 ; d’où : x = 7 – 2 = 5
y + 4 = 16 ; d’où : y = 16 – 4 = 12
La formule moléculaire de l’hydrocarbure (A) est donc C5H12.
b. Formules structurales semi-développées de (A) :
(1) CH3 – CH2 – CH2 – CH2 – CH3
(2) CH3 – CH – CH2 – CH3 ou CH3 – CH2 – CH – CH3
¼ pt
¼ pt
¼ pt
½ pt
¼ pt
Nom : pentane (ou n-pentane)
Nom : 2-méthylbutane
½ pt
½ pt
Nom : 2,2- diméthylpropane
½ pt
CH3
CH3
(3)
CH3 – C – CH3
CH3
Ces composés ayant même formule moléculaire et différentes formules structurales sont
appelés isomères.
¼ pt
5. Réactions d’addition sur l’éthylène
a. (1) CH2 = CH2 + HCl → CH3 – CH2Cl (Hydrogénochloration de l’éthylène)
(2) CH2 = CH2 + H2O → CH3 – CH2OH (Hydratation de l’éthylène)
½ pt
½ pt
b. Le produit (B) est le chloroéthane.
Le produit (C) est l’éthanol.
¼ pt
¼ pt
c. L’éthanol appartient à la classe des alcools.
Son groupe fonctionnel est le groupe hydroxyle (– OH).
¼ pt
¼ pt
2/2