Corrigé - Olympiades de chimie

22èmes Olympiades de la Chimie
Année 2005-2006
Thème « Chimie et habitat »
Académie de Lille
Epreuve pratique
Durée : 4 h
Calculatrice autorisée
QUESTIONNAIRE
Corrigé
22èmes Olympiades de la chimie Lille Epreuve pratique Questionnaire corrigé - 1
A. Plastifiants
Née il y a une cinquantaine d’années, la plasturgie est une industrie jeune comparée aux
industries pluriséculaires de la fonte, de l’acier ou encore du verre. Actuellement le
développement des matériaux plastiques est tel qu’ils interviennent aussi bien dans notre
habitat (brosse à dents, meubles, bouteilles, menuiseries…) que dans des secteurs de pointe.
La production mondiale de matières plastiques est de 170 millions de tonnes par an.
L’intérêt de ces matériaux réside dans le contrôle de leurs propriétés mécaniques. Pour rendre
les matériaux plus souples (améliorer leurs propriétés plastiques), on ajoute dans la matrice
polymère des molécules appelées plastifiants qui s’intercalent entre les chaînes de polymères
et permettent à ces dernières de « glisser » les unes sur les autres.
Les deux manipulations proposées concernent une famille particulière de plastifiants : les
phtalates.
A.1. Analyse des phtalates contenus dans un plastique.
O
L’anhydride phtalique a pour formule :
O
O
O
Les phtalates ont pour formule générale :
où R est un groupement alkyle
C O
R
C O
R
O
1. Donner la formule semi-développée du phtalate de diméthyle :
O
C O CH3
C O CH3
O
2. Donner la formule semi-développée du phtalate de dibutyle :
O
C O CH2 CH2 CH2 CH3
C O CH2 CH2 CH2 CH3
O
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3. Quelle est la fonction chimique présente dans chacune de ces molécules ? Entourer
cette fonction sur l’une des molécules.
la fonction ester
bien placée
4. Pourquoi réalise-t-on l’extraction à reflux ?
chauffage pour augmenter la vitesse de l’extraction.
reflux pour ne pas perdre de solvant
Coller ici la plaque de CCM correspondant à l’extraction en ayant soin de marquer la ligne de
départ, le front du solvant, d’entourer les taches et de porter toutes les légendes nécessaires :
propreté de la réalisation (taches pas trop grosses)
légendes
5. Analyse de la C.C.M : quels sont les phtalates présents dans le plastique étudié?
Réponse cohérente avec le chromatogramme (phtalate de dibutyle et phtalate de bis(2éthylhexyle))
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A.2. Synthèse du phtalate de dibutyle.
L’anhydride phtalique réagit rapidement avec une seule molécule de butan-1-ol pour fournir
une molécule qui est à la fois acide et ester.
Lorsqu’on prolonge le chauffage, la fonction acide réagit à son tour avec une molécule
d’alcool. On obtient alors le phtalate de dibutyle. Cette réaction est plus lente et équilibrée.
De ce fait cette deuxième réaction ne peut pas être totale si l’on n’élimine pas l’eau produite
par la réaction.
Pour éliminer l’eau, il est possible de distiller le butan-1-ol excédentaire qui a une température
d’ébullition supérieure à celle de l’eau.
Dans l’erlenmeyer le distillat est desséché au contact du sulfate de magnésium anhydre.
Le butan-1-ol récupéré et séché dans l’erlenmeyer est alors réintroduit dans le ballon.
En recommençant les opérations précédentes (chauffage et distillation) on termine la
préparation du diester.
6. Ecrire l’équation de la première estérification :
O
O
O
+
O
HO
OH
O
O
structure acide-ester
7. Ecrire l’équation de la deuxième estérification :
O
O
O
O
+ HO
O
OH
O
+ H2O
O
présence d’eau
8. Calculer les quantités de matière des réactifs introduites dans le ballon :
n(anhydride phtalique) = m/M = 3,4.10-2 mol
n(butan-1-ol) = ρ.V / M = 0,27 mol
9. Quel est le réactif en excès ? Justifier.
n(butan-1-ol) /2 est très supérieur à n(anhydride phtalique)
le butan-1-ol est en excès
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10. Quelle est la quantité de matière maximale de phtalate de dibutyle qu’on peut obtenir ?
Justifier.
n(phtalate)max = n(anhydride phtalique)
car l’anhydride phtalique est le réactif limitant
Résultats :
masse m1 =
masse m2 =
masse de phtalate brut :
m=
Coller ici la plaque de CCM correspondant à la synthèse en ayant soin de marquer la ligne de
départ, le front du solvant, d’entourer les taches et de porter toutes les légendes nécessaires :
propreté de la réalisation (taches pas trop grosses)
légendes des dépôts
11. Déterminer le rendement brut de la synthèse :
rendement = n(phtalate)effectif / n(phtalate)max
calcul correct
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12. Comparer les compositions du mélange réactionnel intermédiaire et du mélange
réactionnel final. Justifier. Conclure.
mélange final : tache unique de phtalate de dibutyle
(identifiée grâce au dépôt 4 de référence)
mélange intermédiaire : tache supplémentaire = phtalate de butyle (acide-ester)
Conclusion :
En réintroduisant le butan-1-ol et en enlevant l’eau on a favorisé la transformation de l’acideester en diester
13. Le catalyseur est il encore présent dans le brut ? Expliquer.
le catalyseur n’est pas consommé dans la réaction
il est donc présent dans le brut
B. Titrage d’une eau de Javel
B.1. L’eau de Javel
L’eau de Javel a été découverte par le chimiste français Berthollet à la fin du XVIIIème siècle
et appelée à cette époque « lessive de Berthollet ». L’eau de Javel est utilisée à la maison
comme dans l’industrie pour ses propriétés décolorantes (blanchiment) et désinfectantes.
Ce sont les ions hypochlorite ClO- qui sont responsables des propriétés de l’eau de Javel. Il est
donc important de connaître la concentration en ions hypochlorite d’une eau de Javel en la
dosant.
L’eau de Javel est préparée industriellement par dissolution du dichlore dans une solution de
soude (hydroxyde de sodium). Dans cette réaction, le dichlore se transforme à la fois en ions
chlorure et en ions hypochlorite.
14. Écrire l’équation de la transformation du dichlore en ions chlorure
Cl2 + 2 e- = 2 Cl15. Quelle est la nature de cette réaction? Justifier!
C’est une réduction
elle consomme des électrons
16. Écrire l’équation de la transformation du dichlore en ions hypochlorite en milieu
basique
Cl2 + 4 OH- =
2 ClO- + 2 H2O + 2 e17. Quelle est la nature de cette réaction? Justifier!
C’est une oxydation
elle libère des électrons
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18. Ecrire le bilan de la réaction subie par le dichlore en milieu basique
Cl2 + 2OH- = ClO- + Cl- + H2O
19. Dans cette réaction de préparation de l’eau de Javel le dichlore subit une réaction
particulière: comment l’appelle-t-on ?
C’est une dismutation
20. Comparer les concentrations des ions hypochlorite et chlorure dans l’eau de Javel :
Elles sont égales
L’eau de Javel contient deux espèces chorées (ions hypochlorite et chlorure). Pour faciliter le
dosage il est préférable de transformer les ions hypochlorite en ions chlorure et de doser la
totalité des ions chlorure.
B.2. Réaction des ions hypochlorite avec les ions nitrite
Les ions hypochlorite réagissent avec les ions nitrite NO −2 pour donner des ions chlorure et
des ions nitrate.
21. Écrire la demi-équation électronique de transformation des ions hypochlorite en ions
chlorure en milieu légèrement acide ou neutre.
ClO + 2H+ + 2e- = Cl- + H2O
22. Écrire la demi-équation électronique de transformation des ions nitrite en ions nitrate
en milieu légèrement acide ou neutre.
NO2 + H2O = NO3- + 2H+ + 2e23. En déduire l’équation (1) de la réaction de l’ion hypochlorite avec l’ion nitrite, en
milieu légèrement acide ou neutre.
ClO + NO2- = NO3- + Cl-
B.3. Dosage des ions chlorure par les ions argent
24. Écrire l’équation de la réaction de précipitation entre les ions argent et les ions
chlorure :
+
Ag + Cl- = AgCl(s)
Noter ici le volume équivalent obtenu :
Veq =
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25. En déduire la concentration C1 en ions hypochlorite de la solution diluée d’eau de
Javel dosée :
A l’équivalence du dosage par l’ion argent on a
n(Cl − ) = n( Ag + ) = C ( Ag + ).Veq ( Ag + )
Les ions hypochlorite ont été réduits en autant d’ions chlorure qui s’ajoutent aux ions chlorure
initialement présents.
La quantité d’ions hypochlorite ayant réagi est égale à la moitié de la quantité d’ions chlorure
dosés
C ( Ag + ).Veq ( Ag + )
−
Finalement C (ClO ) = C1 =
2.V1
AN :
26. Calculer la concentration C0 en ions hypochlorite de la solution concentrée d’eau de
Javel.
C 0 = 100.C1
AN :
Explicitons le rôle du chromate de potassium ajouté dans le bécher.
Une solution de nitrate d’argent ajoutée à une solution de chromate de potassium donne un
précipité rouge de chromate d’argent.
En ajoutant ensuite une solution de chlorure de sodium on observe la disparition du précipité
rouge et l’apparition d’un précipité blanc de chlorure d’argent.
27. Justifier le rôle des ions chromate lors du dosage des ions chlorure par les ions argent.
Tant qu’il y a des ions chlorure il ne se forme pas de chromate d’argent.
Le chromate d’argent ne peut précipiter que lorsque tous les ions chlorure ont réagi avec les
ions argent.
L’apparition du précipité de chromate d’argent permet donc de visualiser l’équivalence du
dosage des ions chlorure.
Pour réaliser ce dosage il est nécessaire d’ajouter un peu d’hydrogénocarbonate de potassium
qui maintient la solution à un pH sensiblement neutre.
28. Avec quelle verrerie doit-on prélever la solution d’eau de Javel diluée S1 à doser ?
Justifier.
Prélèvement avec la pipette jaugée de 20 mL
C’est l’espèce à doser, le prélèvement doit être précis
29. Avec quelle verrerie doit-on prélever la solution de nitrite de sodium ? Justifier.
Prélèvement avec une éprouvette graduée
C’est un réactif en excès, le prélèvement n’a pas à être précis
Justification de l’excès de nitrite par calcul de n(nitrite) introduite et comparaison avec
n(hypochlorite)
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B.4. Comparaison avec les indications figurant sur le berlingot d’eau de Javel
concentrée
Sur le berlingot on trouve l’indication : 36°chl.
Le degré chlorométrique (°chl) indique le volume de dichlore gazeux susceptible d’être libéré
par un litre de solution d’eau de Javel (volume gazeux mesuré dans les CNTP).
30. Ecrire l’équation de la réaction subie par l’eau de Javel lorsqu’elle libère du dichlore
gazeux :
ClO + Cl- + 2 H+ = Cl2 + H2O
31. Déterminer la quantité de matière de dichlore gazeux libérée par 1 litre d’eau de Javel
à 36°Chl :
1 litre d’eau de Javel à 36°Chl libère un volume de dichlore gazeux v(Cl2) = 36 L
n(Cl2) = v(Cl2) / Vm = 1,6 mol
32. En déduire la concentration en ions hypochlorite de cette eau de Javel :
C(ClO-) = 1,6 mol/L
33. Ce résultat est-il en accord avec le résultat du dosage ?
Commentaire cohérent avec les valeurs obtenues
Données :
Volume molaire des gaz dans les CNTP (conditions normales de température et de pression) :
Vm = 22,4 L/mol
Fin du sujet
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