Corrigé - Olympiades de chimie

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mercredi 02 février 2011
XXVII
emes
OLYMPIADES NATIONALES DE LA CHIMIE
EPREUVES REGIONALES DE L’ACADEMIE DE GRENOBLE
Corrigé de l’épreuve écrite
Durée : 1h30
Calculatrice interdite
Numéro de candidat: ………………
CHIMIE ET EAU
REMARQUE : Beaucoup de questions sont indépendantes.
ATTENTION : Dans les questions type QCM, les cases mal cochées enlèvent des points ; il est donc
risqué de cocher une case au hasard en comptant sur la chance...
H C N O Cl On donne les masses molaires
en g.mol
-1
:
1,0 12,0 14,0 16,0 35,5
Structure de la molécule d’eau :
Représenter la structure de Lewis de la molécule d’eau et indiquer sur le même schéma la direction et le
sens du moment dipolaire.
L’angle entre les deux liaisons O-H est de (Cocher la case correspondante)
□ 90° ■ 104,5° □ 109,3° □ 120° □ 180°
L’existence du moment dipolaire est liée à (Cocher la case correspondante)
□ la différence d’électroneutralité entre O et H ■ la différence d’électronégativité entre O et H
□ la différence de masse molaire entre O et H □ la différence de numéro atomique entre O et H
Le moment dipolaire de l’eau est de 1,85 D. Quelle est le nom de l’unité représentée par le symbole D ?
Le Debye
1D vaut (Cocher la case correspondante)
■ 0,33.10
-29
C.m. □ 0,33.10
-10
C.m. □ 1 C.m. □ 10
10
C.m. □ 0,33.10
29
C.m.
Les forces de Van Der Waals décroissent très rapidement avec la distance et deviennent négligeables à
partir d’environ : (Cocher la case correspondante)
□ 50 pm ■ 500 pm. □ 50 nm □ 500 nm
O
H H
δ-
δ+
δ+
µ

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Représenter sur un schéma la mise en œuvre d’une liaison hydrogène entre deux molécules d’eau. (on
fera figurer les charges partielles sur les atomes)
H O
H
O
H
H
Comparer la force de la liaison hydrogène entre deux molécules d’eau avec celle d’autres interactions en
cochant, dans chaque cas, la case correspondante. Elle est
□ plus forte ■ moins forte □ de même intensité que la liaison covalente O-H
■ plus forte □ moins forte □ de même intensité qu’une interaction de Van der Waals
■ plus forte □ moins forte □ de même intensité que la liaison hydrogène entre NH et O|
■ plus forte □ moins forte □ de même intensité que la liaison hydrogène entre NH et N|
Parmi les molécules suivantes, indiquer, en cochant dans chaque cas la case correspondante, lesquelles
sont hydrophiles et lesquelles sont hydrophobes.
L’acide propanoïque est ■ hydrophile □ hydrophobe.
Le benzène est □ hydrophile ■ hydrophobe.
Le chlorure d’hydrogène est ■ hydrophile □ hydrophobe.
Le diiode est □ hydrophile ■ hydrophobe.
L’éthanol est ■ hydrophile □ hydrophobe.
Le pentane est □ hydrophile ■ hydrophobe.
L’eau solvant :
Pour chacun des solvants suivants, indiquer à quelle catégorie il appartient :
Le dichlorométhane est □ aprotique apolaire ■ aprotique polaire □ protique polaire :
L’eau est □ aprotique apolaire □ aprotique polaire ■ protique polaire
L’éthanol est □ aprotique apolaire □ aprotique polaire ■ protique polaire
L’éthoxyéthane est □ aprotique apolaire ■ aprotique polaire □ protique polaire
L’hexane est ■ aprotique apolaire □ aprotique polaire □ protique polaire
Donner les formules semi-développées de chacun des solvants cités ci-dessus.
Nom Formule Nom Formule
dichlorométhane
CHCl
2
Hexane
CH
3
-(CH
2
)
4
-CH
3
Ethanol
CH
3
-CH
2
-OH
Ethoxyéthane
(éther)
CH
3
CH
2
OCH
2
CH
3

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On se propose de séparer par extraction sélective les différents constituants d’un mélange M contenant
2,44 grammes d’un acide aromatique BH, 2,56 grammes d’un hydrocarbure aromatique N et
9,30 grammes d’une amine primaire aromatique A.
On donne les formules et les données physicochimiques relatives aux composés du mélange. Compléter
le tableau en leur attribuant un nom.
composé BH N A
Nom
acide benzoïque naphtalène Aniline
Formule
COH
O
NH
2
Masse molaire 122 g.mol
-1
128 g.mol
-1
93 g.mol
-1
pK
A
pK
A
(BH/B
-
) = 4,19 pK
A
(AH
+
/A) = 4,65
T
fusion
(°C) 122,4 80,55 -6,3
T
éb
(°C) 249 218 184,1
dans l’eau très peu soluble insoluble peu soluble
dans l’éthanol très soluble peu soluble ∞
dans l’ét
hoxyéthane très soluble très soluble ∞
dans le
dichlorométhane très soluble peu soluble peu soluble
∞ = soluble en toutes proportions On précise que les ions sont tous très solubles dans l’eau.
Données concernant les solvants disponibles :
Ethoxyéthane (éther) Dichlorométhane Ethanol
Solubilité dans l’eau très peu soluble très peu soluble ∞
Solubilité dans l’éthanol ∞ ∞
Solubilité dans l’éthoxyéthane ∞ ∞
Solubilité dans le dichlorométhane ∞ ∞
densité d
20/4
0,7137 1,3266 0,7893
Déterminer la fraction molaire de chaque constituant du mélange. (Cocher la case correspondante)
□ X
BH
= 0,33 X
N
= 0,33 X
A
= 0,33
■ X
BH
= 0,14 X
N
= 0,14 X
A
= 0,72
□ X
BH
= 0,17 X
N
= 0,18 X
A
= 0,65
□ X
BH
= 0,25 X
N
= 0,28 X
A
= 0,47
Le mélange contient :
2,44/122 = 0,020 mol de BH,
2,56/128 = 0,020 mol de N et
9,3/93 = 0,10 mol de A.
Pour chacun des couples acido-basique, indiquer quelle est l’espèce prédominante en fonction du pH en
cochant les cases correspondantes dans le tableau ci-dessous :
pH = 1 pH = 8,3 pH = 13
couple (BH/B
-
)
■ BH □ B
-
□ BH ■ B
-
□ BH ■ B
-
couple (AH
+
/A)
■ AH
+
□ A □ AH
+
■ A □ AH
+
■ A

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On met en œuvre le protocole suivant :
Le mélange M est mis en solution dans l’éther, puis traité par 30 mL d’une solution aqueuse
d’hydrogénocarbonate de sodium de pH = 8,3. Quelle est la réaction chimique qui se produit ?
BH + HCO
3-
= B
-
+ H
2
CO
3
ou BH + HCO
3-
= B
-
+ H
2
O + CO
2
A l’issue de cette opération, la phase aqueuse est : (Cocher la case correspondante)
■ en position inférieure □ en position supérieure
Après lavage de la phase organique à l’eau, quelles sont les espèces présentes de façon majoritaire ?
(Cocher les cases correspondantes)
En phase aqueuse : □ BH ■ B
-
□ N □ A □ AH
+
En phase organique □ BH □ B
-
■ N ■ A □ AH
+
Après séparation de ces deux phases, on traite la phase aqueuse par une solution aqueuse d’acide
chlorhydrique à 10%, jusqu’à obtenir pH = 1. Quelle est la réaction chimique qui se produit ?
B
-
+ H
+
= BH
Sous quelle forme le produit de la réaction se présente-t-il ?
solide
La phase organique, elle, est traitée par 20 mL de solution d’acide chlorhydrique de pH = 1. Quelle est la
réaction chimique qui se produit ?
A + H
+
= AH
+-
Après lavage de la phase organique à l’eau, quelles sont les espèces présentes de façon majoritaire ?
(Cocher les cases correspondantes)
En phase aqueuse : □ BH □ B
-
□ N □ A ■ AH
+
En phase organique □ BH □ B
-
■ N □ A □ AH
+
Pour ces étapes de séparation, on a choisi l’éther (éthoxyéthane) comme solvant. Pourquoi n’était-il pas
judicieux d’utiliser l’éthanol ?
L’éthanol est miscible avec l’eau
Pourquoi n’était-il pas judicieux d’utiliser le dichlorométhane?
A et N ne sont pas assez solubles dans le dichlorométhane
La chimie des eaux et l’environnement
L’eau constitue l’élément majeur du monde minéral et biologique. C’est le vecteur privilégié de la vie et
de l’activité humaine. La réserve d’eau de notre planète est évaluée par les géologues à 1,3.10
9
km
3
. Cette
réserve provient des océans, des glaciers, des fleuves, des rivières ….
Quel est le pourcentage de l’eau utilisable à la surface de la terre ? (Cocher la case correspondante)
■ 1 % □ 20 % □ 80 %

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Quel est en France, l’ordre de grandeur de la consommation quotidienne en eau en milieu urbain par
habitant ? (Cocher la case correspondante)
□ 40 L □ 80 L ■ 180 L □ 500 L
Parmi les suivants, lesquels sont des critères de potabilité de l’eau ? (Cocher les cases correspondantes)
■ faible dureté ■ forte oxygénation ■ pureté bactériologique
□ très forte présence de minéraux □ très faible température □ forte alcalinité
L’eau minérale a une résistivité (Cocher la case correspondante)
■ inférieure à celle de l’eau pure □ égale à celle de l’eau pure □ supérieure à celle de l’eau pure
Pour détruire les germes pathogènes dans l’eau on utilise des réactifs chimiques. Citez en trois
Dichlore, Ozone, Ion hypochlorite, Permanganate de potassium
Le manque de minéraux de certaines eaux peut poser des problèmes. C’est parfois le cas en montagne ou
le manque d’un élément dans l’eau générait autrefois des problèmes de thyroïde à l’origine de
l’expression « crétin des alpes ». Quel est cet élément ? (Cocher la case correspondante)
□ Cl □ Cr □ Fe ■ I □ K □ N
Les paramètres d’identification de la qualité de l’eau peuvent être classés en plusieurs catégories.
Citer trois paramètres organoleptiques
Couleur, odeur, turbidité, saveur
Citer deux paramètres physicochimiques
pH, température, conductivité
La prise de conscience collective de l’impact des activités humaines sur notre environnement date du
début des années 1970. Auparavant, on pouvait, par exemple utiliser et rejeter sans limites le DDT.
la formule du DDT est donnée ci-contre. Que signifie
l’acronyme DDT ? (Cocher la case correspondante)
□ dichlorodibutyltrichloréthane
■ dichlorodiphényltrichloréthane
□ dichlorodibutyltrichloropropane
□ dichlorodiphényltrichlorobutane
Cl
CH
C
Cl
Cl
Cl Cl
Le DDT est (Cocher la case correspondante)
□ un désherbant □ un engrais □ un fongicide ■ un insecticide
C’est probablement au contact du sol et du sous-sol que les transformations et réactions chimiques dans
l’eau sont les plus importantes : certaines conditions d’écoulement souterrain sont favorables à des
phénomènes de dénitrification, c'est-à-dire d’élimination des ions nitrate NO
3-
.
Quelle est la principale source d’un excès de nitrates dans l’eau ? (Cocher la case correspondante)
□ les désherbants □ les fongicides ■ les engrais □ les insecticides
Les nitrates et les phosphates polluent particulièrement les eaux en provoquant un développement
important d’algues qui absorbent tout l’oxygène de l’eau. C’est : (Cocher la case correspondante)
■ l’eutrophisation □ l’algotrophisation □ la mésotrophisation