Corrigé - Olympiades de chimie

XXVIIemes OLYMPIADES NATIONALES DE LA CHIMIE
EPREUVES REGIONALES DE L’ACADEMIE DE GRENOBLE
Corrigé de l’épreuve écrite
Durée : 1h30
Calculatrice interdite
mercredi 02 février 2011
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...
On donne les masses molaires
en g.mol-1 :
H
1,0
C
12,0
N
14,0
O
16,0
Cl
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.
δO
H
δ+
H
δ+
µ
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.
□ 1010 C.m. □ 0,33.1029 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
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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
H
O
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.
□ hydrophile
■ hydrophobe.
Le benzène est
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
L’eau est
□ aprotique apolaire
□ aprotique polaire
L’éthanol est
□ aprotique apolaire
□ aprotique polaire
L’éthoxyéthane est
□ aprotique apolaire
■ aprotique polaire
L’hexane est
■ aprotique apolaire
□ aprotique polaire
Donner les formules semi-développées de chacun des solvants cités ci-dessus.
Nom
Formule
Nom
dichlorométhane
Ethanol
CHCl2
Hexane
CH3-CH2-OH
Ethoxyéthane
(éther)
□ protique polaire :
■ protique polaire
■ protique polaire
□ protique polaire
□ protique polaire
Formule
CH3-(CH2)4-CH3
CH2
CH2
H3C
O
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CH3
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
O
NH2
C
Formule
OH
Masse molaire
122 g.mol-1
pKA
pKA (BH/B-) = 4,19
Tfusion (°C)
122,4
Téb(°C)
249
dans l’eau
très peu soluble
dans l’éthanol
très soluble
dans l’éthoxyéthane
très soluble
dans le
très soluble
dichlorométhane
∞ = soluble en toutes proportions
128 g.mol-1
80,55
218
insoluble
peu soluble
très soluble
93 g.mol-1
pKA (AH+/A) = 4,65
-6,3
184,1
peu soluble
∞
∞
peu soluble
peu soluble
On précise que les ions sont tous très solubles dans l’eau.
Données concernant les solvants disponibles :
Solubilité dans l’eau
Solubilité dans l’éthanol
Solubilité dans l’éthoxyéthane
Solubilité dans le dichlorométhane
densité d20/4
Ethoxyéthane (éther)
très peu soluble
∞
∞
0,7137
Dichlorométhane
très peu soluble
∞
∞
1,3266
Ethanol
∞
∞
∞
0,7893
Déterminer la fraction molaire de chaque constituant du mélange. (Cocher la case correspondante)
□ XBH = 0,33
XN = 0,33
XA = 0,33 Le mélange contient :
■ XBH = 0,14
XN = 0,14
XA = 0,72 2,44/122 = 0,020 mol de BH,
□ XBH = 0,17
XN = 0,18
XA = 0,65 2,56/128 = 0,020 mol de N et
□ XBH = 0,25
XN = 0,28
XA = 0,47 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 + HCO3- = B- + H2CO3 ou BH + HCO3- = B- + H2O + CO2
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)
□ BH
■ B□N
□A
□ AH+
En phase aqueuse :
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 1,3.109 km3. 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.
Cl
la formule du DDT est donnée ci-contre. Que signifie
l’acronyme DDT ? (Cocher la case correspondante)
□ dichlorodibutyltrichloréthane
■ dichlorodiphényltrichloréthane
□ dichlorodibutyltrichloropropane
□ dichlorodiphényltrichlorobutane
Cl
C
Cl
CH
Cl
Le DDT est (Cocher la case correspondante)
□ un désherbant
□ un engrais
□ un fongicide
Cl
■ 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 NO3-.
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
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Quelle est la teneur en ions nitrate à ne pas dépasser dans l’eau de consommation ? (Cocher la case
correspondante)
□ 80 mg/L
■ 50 mg/L
□ 20 mg/L
□ 0, 2 mg/L
La quantité maximale d’ions nitrite NO2- dans une eau potable est 0,1 mg/L. A quelle quantité d’azote
cette teneur correspond-elle ? (Cocher la case correspondante)
□ 0,003 mg/L
■ 0.03 mg/L
□ 0,1 mg/L
□ 0, 3 mg/L
Parmi les indicateurs de radioactivité, on trouve le taux de tritium.Qu’est-ce que le tritium ?
Un isotope de l’hydrogène
La période radioactive du tritium est de 12,4 ans. Soit un échantillon contenant 1g de tritium.
Quelle masse de tritium contiendra-t-il au bout de 12,4 ans ? (Cocher la case correspondante)
□ 1g
□ 0,75 g
■ 0,5 g
□ 0,25 g
□ 0,1 g
□ plus du tout
Quelle masse de tritium contiendra-t-il au bout de 24,8 ans ? (Cocher la case correspondante)
□ 1g
□ 0,75 g
□ 0,5 g
■ 0,25 g
□ 0,1 g
□ plus du tout
On dit qu’une eau est dure quand elle a une forte teneur :(Cocher la case correspondante)
□ en ions sulfate et ions chlorure
□ en ions chlorure et ions sodium
□ en ions magnésium et sodium
■ en ion magnésium et calcium
Donner la formule de tous les ions cités ci-dessus.
Nom
Ion sulfate
Ion chlorure
Ion magnésium
Formule
SO42-
Cl-
Ion sodium
Ion calcium
Na+
Ca2+
Mg2+
Donner deux inconvénients d’une eau domestique ou industrielle trop dure (Cocher les cases
correspondantes)
□ elle est trop alcaline
□ elle est trop acide
■ elle favorise l’entartrage
■ le savon ne mousse pas
□ elle est insipide
□ elle a un mauvais goût
Pour détartrer une cafetière électrique, on doit utiliser une solution (Cocher la case correspondante)
■ acide
□ basique
□ oxydante
□ réductrice
Le TAC, Titre Alcalimétrique Complet, représente
la concentration en ions hydrogénocarbonate et
carbonate dans l’eau.
Donner les formules de l’ion carbonate et de
l’ion hydrogénocarbonate :
nom.
Formule
Ion
Ion
carbonate hydrogénocarbonate
CO32-
HCO3-
Quel est le nom d’usage de l’ion hydrogénocarbonate ?
bicarbonate
Ces ions sont formés par action du dioxyde de carbone sur l’eau. Quel est le nom usuel du dioxyde de
carbone ?
Gaz carbonique
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Les ions chlorure contenus dans l’eau sont dosés par une solution de nitrate d’argent. Ecrire l’équation de
réaction de ce dosage.
Cl- + Ag+ = AgCl
L’eau de Vichy Saint-Yorre contient une forte proportion d’ions chlorure. On utilise pour les doser une
solution de nitrate d’argent de concentration C0 = 0,025 mol/L Le volume d’eau dosé est de V1 = 20 mL.
Le dosage est terminé pour un volume VE = 7,7 mL de solution de nitrate d’argent. Etablir l’expression
qui permet de calculer la concentration C1 en ions chlorure dans cette eau.
C0Ve = C1V1
donc C1= C0Ve / V1
(C1 = 0,025 x 7,7 / 20= 9,6.10-3 mol/L)
A partir de l’expression obtenue dans la question précédente évaluer l’ordre de grandeur de C1 et cocher
la case correspondant à la bonne valeur de ci-dessous.
□ 9,6.10-6 mol/L
■ 9,6.10-3 mol/L
□ 9.6.10-2 mol/L
□ 9,6. mol/L
Etablir l’expression qui permet de calculer le titre massique t1 en ions chlorure dans cette eau.
t1 = C1 x M(Cl) donc t1= 9,6.10-3 x 35,5
(t1 = 342 mg/L)
A partir de l’expression obtenue dans la question précédente évaluer l’ordre de grandeur de t1 et cocher la
case correspondant à la bonne valeur de ci-dessous.
□ 0,27 mg/L
□ 27,1 mg/L
■ 342 mg/L
□ 342 g/L
En dosant un volume de 100 mL d’eau du robinet, avec la même solution de nitrate d’argent,
l’équivalence se produit pour un volume de nitrate versé à l’équivalence de 3,6 mL.
La concentration en ions chlorure de l’eau du robinet est : (Cocher la case correspondante)
□ environ dix fois plus élevée que C1
□ environ deux fois plus élevée que C1
□ environ deux fois moins élevée que C1
■ environ dix fois moins élevée que C1
35
36
37
Il existe trois isotopes de l’élément chlore: 17 Cl , 17 Cl et 17 Cl : Donner le nombre de protons et de
neutrons pour chacun de ces isotopes.
Atome
35
17
Cl
36
17
Cl
37
17
Cl
Nombre de protons
17
17
17
Nombre de neutrons
18
19
20
Ces trois formes du chlore ont : (Cocher la case correspondante)
■ les mêmes propriétés chimiques
□ la même masse molaire
Que signifient les abréviations suivantes ?
DCO …………demande chimique en oxygène……………………….
DBO …………demande biologique en oxygène…………………
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On rencontre parfois le sigle DBO5. Que signifie le 5 ? (Cocher la case correspondante)
□ 5 mg/L
□ 5 ans
□ 5 mois
■ 5 jours
Quels sont les effluents qu’il est interdit de verser dans les eaux ? (Cocher les cases correspondantes)
□ vinaigre
□ cuivre
□ alcool
□ ion chlorure
■ chrome
■ mercure
□ ion potassium ■ essence
Une eau de qualité déficiente est un vecteur de maladie. Aussi des paramètres d’identification de la
qualité de l’eau ont été fixés. C’est la classification de l’AEP. Que signifie ce sigle ? (Cocher la case
correspondante)
□ Activité Economique Publique
■ Alimentation en Eau Potable
□ Adaptation des Eaux aux Paramètres
□ Analyse des Eaux Polluées
Des études épidémiologiques sur les animaux avec extrapolation, permettent de fixer des normes de
qualité pour éviter les maladies liées à l’eau. Ces normes sont qualifiées par une DJT. Que signifie ce
sigle ? (Cocher la case correspondante)
□ Détermination du Juste
■ Dose Journalière Tolérable
□ Dose Justifiée Totalement
Grenoble est une ville privilégiée car son eau a de très bonnes caractéristiques physico-chimiques. D’où
provient cette eau ?
du Drac ou de la station de Rochefort
Comment cette eau peut-elle arriver sur le site de captage aussi pure?
Le Drac a déposé au cours de l’ère quaternaire des dizaines de mètres de sable et
gravier qui filtrent l’eau, sur toute la distance entre lui et Rochefort.
Quel est le rendement des stations d’épuration qui récupèrent les eaux usées. (Cocher la
correspondante)
□ 10%
□ 25 %
■ 50 %
□ 80 %
case
La France est riche en eau. Dans quel pourcentage cette eau provient-t-elle des eaux souterraines ?
(Cocher la case correspondante)
□ 10%
□ 25 %
□ 50 %
■ 70 %
L’Isère est une région qui est dans une situation de luxe en ce qui concerne l’eau distribuée. Elle peut
l’être sans traitement à : (Cocher la case correspondante)
□ 20%
□ 40 %
■ 60 %
□ 80 %
Elle peut être distribuée après simple désinfection à : (Cocher la case correspondante)
■ 20%
□ 40 %
□ 60 %
□ 80 %
L’oxygène dissous dans l'eau :
La loi qui lie la concentration en dioxygène dissous à la pression partielle en O2 dans l’air s’appelle :
(Cocher la case correspondante)
□ loi de Pascal
■ loi de Henry
□ loi de Raoul
□ loi de Victor
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L’expression de cette loi est de la forme : (Cocher la case correspondante)
□ [O2(aq)] = k / PO2
■ [O2(aq)] = k PO2
□ [O2(aq)] = k ln(PO2)
□ [O2(aq)] = k (PO2)2
Identifier les usages possibles pour les classes d’eau dont les taux d’oxygène
dessous. (Cocher les cases correspondantes)
< 3 mg/L
■ refroidissement
□ baignade
□ irrigation
▒ refroidissement
□ baignade
■ irrigation
3 à 5 mg/L
5 à 7 mg/L
▒ refroidissement
■ baignade
▒ irrigation
dissous sont donnés ci-
□ industrie alimentaire
□ industrie alimentaire
■ industrie alimentaire
Quelle est la cause d’une variation de concentration de dioxygène dans les eaux de rivière ? (Cocher la
case correspondante)
□ présence de matières minérales
□ présence d’algues
□ présence de coquillages
□ présence de déchets radioactifs
■ présence de matières organiques polluantes
Quel est la nature du dioxygène ? (Cocher la case correspondante)
□ acide
□ basique
■ oxydant
□ ionique
□ réducteur
La figure ci-contre montre la
variation de la teneur en
dioxygène dans l'eau à saturation
en fonction de la température sous
une pression de 1 atm.
Que signifie le terme « à
saturation » ?
C’est la concentration
maximale en dioxygène
qu’il est possible d’obtenir
dans ces conditions.
On exprime la quantité de O2 dissous dans l'eau en mg/L d'oxygène ou en % de saturation.
A 18°C, la teneur en dioxygène d’une eau est de 4,5 mg/L. Quel est son % de saturation ? (Cocher la case
correspondante)
□ 31 %
□ 45%
■ 50%
□ 60%
Quelle devra être sa teneur en dioxygène à 10°C pour obtenir le même % de saturation ? (Cocher la case
correspondante)
□ 1,5 mg/L
□ 3 mg/L
□ 4,5 mg/L
■ 5,5 mg/L
Une des étapes du dosage du dioxygène dans l’eau consiste à verser des cristaux de MnCl2(s) dans l’eau.
Choisir parmi les termes suivants celui qui correspond à cette étape : (Cocher la case correspondante)
□ réaction acido-basique
□ dilution
■ dissolution
□ précipitation
□ liquéfaction
Ecrire l’équation de cette transformation :
MnCl2 = Mn2+ + 2 ClPage 9 sur 16
Quelle espèce est formée à partir de l’ion manganèse Mn2+ en présence d’ions hydroxyde HO- ? (Cocher
la case correspondante)
□ MnO
□ MnOH
■ Mn(OH)2
□ Mn(OH)3
□ Mn(OH)4
Une autre étape du dosage de O2 dissous consiste à transformer le précipité Mn(OH)3 en ions Mn3+. Que
doit-on rajouter dans la solution pour y arriver ? (Cocher la case correspondante)
■ Acide chlorhydrique HCl
□ Hydroxyde de sodium NaOH
□ Chlorure de sodium NaCl
□ Ammoniac gazeux NH3
□ Acide éthanoïque CH3COOH
□ Nitrate de potassium KNO3
Les ions Mn3+ réagissent sur les ions iodures I- pour former des ions Mn2+ et du diiode I2.
Ecrire et équilibrer la réaction d’oxydo-réduction correspondante.
2 Mn3+ + 2 I- = 2 Mn2+ + I2
Le diiode est dosé par les ions thiosulfate S2O32- pour donner des ions iodures I- et tétrathionate S4O62-.
Ecrire et équilibrer l'équation de la réaction correspondante.
2 S2O32- + I2 = S4O62- + 2 IEn déduire la relation à l’équivalence du dosage entre les quantités de matière de I2 et de S2O32-.
A l’équivalence, 2 n(I2) = n(S2O32-)
L’eau produit de réaction et facteur de déplacement d’équilibre : l’estérification.
Donner le nom des composés suivants :
O
Composé
CH2
H3C
C
CH2
O
CH2
H3C
Propan-1-ol
CH3
O
CH2
CH3
Propanoate d’éthyle
Nom
OH
H3C
CH2
OH
H2C
CH
Composé
C
H3C
CH
O
CH3
H3C
CH3
Ethanoate de 1-méthylpropyle
Nom
HC
3-méthylpentan-2-ol
Ecrire la réaction entre le propan-2-ol et l’acide éthanoïque en utilisant les formules semi développées des
composés mis en jeu.
OH
H3C
+
HC
CH3
CH3
O
H3C
=
C
OH
O
H3C
C
HC
CH3
+
H2O
O
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Parmi les affirmations suivantes, dire lesquelles sont vraies. (Cocher les cases correspondantes)
□ la réaction d'estérification est endothemique
■ la réaction d'estérification est très lente
□ la réaction d'estérification est exothermique
■ Les ions H3O+ catalysent la réaction d'estérification.
□ le catalyseur modifie la limite d'estérification
■ la température permet d'atteindre plus rapidement la limite d'estérification
Soit l’estérification suivante :
O
CH2 OH
+
H3C
H3C
=
C
O
H3C
C
CH3
CH2
+
H2O
OH
O
En partant d’une mole d'acide éthanoïque et une mole d'éthanol, à 100°C, avec catalyseur, sans
déplacement d’équilibre, on obtiendra au maximum : (Cocher les cases correspondantes)
□ 0,1 mol d’ester
□ 0,5 mol d’ester
■ 0,67 mol d’ester
□ 1 mol d’ester.
Donner l’expression de la constante d’équilibre de la réaction d’estérification.
Pour obtenir un ester avec un meilleur rendement, on peut. (Cocher les cases correspondantes)
■ utiliser en excès le réactif le moins coûteux
■ distiller l’ester en cours de réaction
□ augmenter la température
□ ajouter du catalyseur
■ éliminer l’eau en cours de réaction
□ ajouter de l’eau en cours de réaction
Pour une estérification, on met en œuvre le dispositif ci-dessous. Compléter la légende de ce schéma.
Pince 3 doigts
Pince plate ou ronde
Sortie d’eau
réfrigérant
Entrée d’eau
Séparateur de
Dean-Stark
Barreau aimanté ou olive
Agitateur chauffant
Support élévateur
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La pile à combustible : l’eau comme seul déchet
Les recherches sur la pile à combustible se développent dans un contexte dans lequel le développement
durable est mis en avant.
Parmi les points suivants, lesquels font partie de la définition du développement durable. (Cocher les
cases correspondantes)
□ ne rejeter aucun déchet toxique
■ permettre aux générations futures de répondre à leurs besoins
□ utiliser des substances naturelles
■ répondre à nos besoins actuels
■ ne pas compromettre l’avenir
□ ne pas générer de gaz à effet de serre
□ privilégier les besoins des générations futures par rapport à nos besoins actuels
Suite à la révolution industrielle, le développement s’est poursuivi, d’abord uniquement selon des critères
économiques, puis au fil du temps, d’autres critères, sur lesquels reposent maintenant le développement
durable, ont été pris en compte. Préciser lesquels en fonction de la période concernée.
.
2ème moitié du XIXème siècle :…………..Social……………………………………………………
2ème moitié du XXème siècle:……………Environnemental………………………………………
A la source de la prise de conscience qui a conduit
à la mise en place de la notion de développement
durable, il y a entre autres, l’augmentation de la
demande en énergie de la population mondiale
illustrée par le diagramme ci-contre :
Sur ce diagramme, la demande en énergie est
exprimée en mégatonne équivalent pétrole (Mtep).
Une Mtep vaut : (Cocher la case correspondante)
□ 10-9 tep
□ 10-6 tep
□ 10-3 tep
□ 103 tep
■ 106 tep
□ 109 tep
La tep est une unité d’énergie qui correspond au pouvoir calorifique d’une tonne de pétrole. Elle vaut,
par définition, 41,868 GJ.
Le pétrole étant le combustible le plus utilisé, les économistes choisissent cette unité de référence pour
comparer entre elles les différentes sources d’énergie. L’éthanol est parfois utilisé comme carburant.
On se propose de calculer le pouvoir calorifique P d’une tonne d’éthanol, en kJ puis en tep.
Ecrire et équilibrer la réaction de combustion de l’éthanol en présence de dioxygène.
C2H5OH + 2 O2 = 2 CO2 + 3 H2O
La combustion d’une mole d’éthanol libère 1424 kJ. Etablir l’expression qui permet de calculer le
pouvoir calorifique P d’une tonne d’éthanol, en kJ puis en tep.
La masse molaire de l’éthanol est M = 2 x 12 + 16 + 6 = 46 g.mol-1
1 tonne d’éthanol représente 106 g c'est-à-dire 106/46 mol
Le pouvoir calorifique d’1 t d’éthanol est donc P = 1424 x 106/46
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A partir de l’expression obtenue dans la question précédente évaluer l’ordre de grandeur de ce pouvoir
calorifique et cocher les cases correspondant aux bonnes valeurs de P ci-dessous.
□ 3.10-8 kJ
□ 3 .10-5 kJ
□ 3.104 kJ
■ 3.107 kJ
□ 7.10-7 tep
□ 1,4.10-5 tep
■ 0,7 tep
□ 1,4 tep
Réuni à Paris en janvier 2007 le GIEC a rendu un rapport alarmant sur le réchauffement de la planète.
Que signifie le sigle GIEC ? (Cocher la case correspondante)
■ Groupe Intergouvernemental d’experts sur l’Evolution du Climat
□ Généralités et Informations sur l’Etat Climatique
□ Groupe d’Instituts expérimentaux sur l’Evolution du Climat
Citer 4 sources d’énergie renouvelables ?
Biomasse, énergie marémotrice, énergie éolienne, énergie solaire,
énergie géothermique, énergie hydraulique
Parmi celles-ci, citez-en deux pour lesquelles le stockage est impossible
énergie marémotrice, énergie éolienne, énergie solaire,
énergie géothermique,
La pile Daniell est une pile Zn/Cu. Elle est constituée d’un compartiment contenant une solution de
sulfate de zinc dans lequel plonge une électrode de zinc et d’un compartiment contenant une solution de
sulfate de cuivre dans lequel plonge une électrode de cuivre.
La réaction globale d’électrolyse est : Zn + Cu2+ = Cu + Zn2+
Ecrire les réactions à chaque électrode :
A l’anode :
Zn = Zn2+ + 2 e-
A la cathode :
Cu2+ + 2 e- = Cu
Donner les raisons possibles provoquant l’arrêt du fonctionnement de la pile. (Cocher les cases
correspondantes)
■ quand la solution de sulfate de cuivre sera épuisée
□ quand le cuivre sera épuisé
□ quand la solution de sulfate de zinc sera épuisée
■ quand le zinc sera épuisé
Parmi ces métaux, pouvant être présents dans des piles, préciser lesquels sont toxiques. (Cocher les cases
correspondantes)
□ Ni ■ Pb
■ Hg
□ Fe
□ Al
□ Ca
■ Cd
□ Sn
Comme alternative aux batteries qui contiennent des métaux toxiques, on pense à la pile à
combustible(PAC).La première PAC a été proposée par William Grove. Quand était-ce? (Cocher la case
correspondante)
□ 1789
■ 1839
□ 1889
□ 1939
□ 1989
Une pile électrochimique est un système de stockage : elle contient les réactifs. Comment-peut-on
qualifier la pile à combustible ? (Cocher la case correspondante)
□ Système de production
■ Système de conversion
□ Système de convexion
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Quelle est la réaction chimique globale qui se produit dans cette pile à combustible ?
H2 + ½ O2 = H2O
Parmi les réactifs mis en œuvre, identifier le combustible et le comburant :
Combustible : ……… H2 …………………………………
Comburant : …………… O2 ……………………………
Pourquoi ne pas mettre en œuvre cette réaction en mélangeant simplement le combustible et le
comburant ? (Cocher la case correspondante)
□ La réaction ne libèrerait pas assez d’énergie □ L’énergie ne serait dégagée que sous forme de travail
□ La réaction libèrerait trop d’énergie
□ L’énergie ne serait dégagée que sous forme de chaleur
■ L’énergie serait dégagée sous forme de chaleur et de travail
Parmi les piles à combustibles, on s’intéressera en particulier à la pile de type SOFC :
Que signifie le sigle SOFC ? (Cocher la case correspondante)
□ Standard Oxygen Fuel Cell
■ Solid Oxyde Fuel Cell
□ Standard Ozon Fuel Cartridge
□ Standard Oxyde Fuel Cartridge
Dans quelle gamme de températures est-elle utilisable ? (Cocher la case correspondante)
□ 60-90°C
□ 160-220°C
□ 620-660°C
■ 800-1000°C
Pourquoi ne peut-elle pas fonctionner à température ambiante ?
Pour que le matériau ait de meilleures propriétés de conduction
Pourquoi le comburant diffuse-t-il spontanément de la cathode vers l’anode ?
Par différence de pression entre les deux compartiments
Le schéma ci-contre représente le principe de fonctionnement
d’une PAC de type SOFC.
(1)
Compléter ce shéma en indiquant :
2- la nature des porteurs de charges (1)… O
-
la réaction qui permet de les obtenir à la cathode (2)
½ O2 + 2 e- → O2- ……
(2)
-
La réaction à l’anode (3)
2-
…………… H2 + O
(3)
→ H2 O + 2 e -
L’électrolyte est un oxyde de zirconium. Quelle est sa formule ? (Cocher la case correspondante)
□ ZrO
■ ZrO2
□ ZrO3
□ ZrO4
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Quel est son nom usuel ?
La zircone
On dope l’oxyde de zirconium pour créer des lacunes d’oxygène. Pour cela, on remplace une partie des
ions Zr4+ par : (Cocher la case correspondante)
■ des ions Y3+
□ des ions Y4+
□ des ions Y5+
La création de lacunes provoque : (Cocher la case correspondante)
□ une diffusion des gaz
■ une conduction ionique
□ une solubilité de l’électrolyte
Les matériaux constituant les anodes des piles à combustible contiennent entre autres un métal. Quel est
ce métal? (Cocher la case correspondante)
□ fer
□ chrome
□ cuivre
■ nickel
□ argent
Pourquoi la présence de ce métal est-elle indispensable (on citera deux raisons) ?
Il assure la conduction électronique
et
il catalyse la réaction
Dans le matériau d’anode, on dit qu’il y a percolation entre les grains de métal. Que signifie le mot
percolation ?
Tous les grains de métal se touchent pour qu’il y ait contact électrique
entre les deux extremités du matériau
De quelle nature est l’autre matériau constituant l’anode ?
céramique
Une pile de type SOFC est constituée de plusieurs cellules élémentaires
l’anode, l’électrolyte et la cathode.
L’anode est (Cocher la case correspondante)
□ dense
L’électrolyte est (Cocher la case correspondante)
■ dense
La cathode est (Cocher la case correspondante)
□ dense
comportant trois « couches »,
L’épaisseur de chacune de ces couches est (Cocher la case correspondante)
□ entre 50 et 500 nm □ entre 500 nm et 5 µm
■ entre 5 et 500 µm
■ poreuse
□ poreux
■ poreuse
□ entre 500 µm et 1 mm
Quel est le rendement approximatif de la PAC en % ? (Cocher la case correspondante)
□ 20 à 30 %
□ 40à 50 %
■ 60 à 80 %
□ 90 à 100 %
Quelle est l’autonomie moyenne d’un véhicule équipé de PAC ? (Cocher la case correspondante)
□ 200 km
□ 300 km
■ 400 km
□ 500 km
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Quels sont les avantages et inconvénients des PAC dans un véhicule ? (Cocher les cases
correspondantes)
□ Coût faible
■ Coût élevé
□ Durée de vie élevée
■ Durée de vie faible
■ Rendement élevé
□ Rendement faible
□ Solidité
■ Fragilité
■ Peu bruyant
□ Bruyant
□ Stockage facile du combustible
■ Stockage difficile du combustible
□ Production facile du combustible
■ Production difficile du combustible
■ Peu de vibrations
□ Beaucoup de vibrations
Puisque le combustible de la PAC pose certains problèmes, on pourrait en envisager d’autres. Intéressons
nous par exemple à une pile qui utilise de l’hydrazine N2H4 comme combustible et le dioxygène comme
comburant.
Ecrire la demi équation rédox du couple N2H4 / N2
N2H4 = N2 + 4 H+ + 4 eA quelle électrode se produit cette réaction ? (Cocher la case correspondante)
■ anode
□ cathode
Ecrire la demi équation rédox du couple O2 / H2O
O2 + 4 H+ + 4 e- = 2 H2O
A quelle famille appartient cette réaction ? (Cocher la case correspondante)
□ oxydation
■ réduction
Ecrire l’équation globale de la réaction.
N2H4 + O2 = N2 + 2 H2O
Les produits rejetés présentent-ils les mêmes avantages que dans le cas de la PAC classique ?
Oui, l’eau et le diazote sont non polluants
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