chimie - Eduscol

BACCALAURÉAT TECHNOLOGIQUE -- SESSION 2008
SÉRIE SCIENCES ET TECHNOLOGIES DE LABORATOIRE
SPÉCIALITÉ : CHIMIE DE LABORATOIRE ET DE PROCÉDÉS INDUSTRIELS
Épreuve : PHYSIQUE - CHIMIE
CHIMIE
Durée 3 h
Coefficient 4
Calculatrice autorisée
ÉTUDE DE L’ACIDE BENZOÏQUE
Données à 25 °C
• Masse molaire de l’acide benzoïque : M = 122 g.mol-1
• Couple (C6H5COOH/C6H5COO−) : pKa = 4,2
• Produit ionique de l’eau : pKe = 14,0
• Zone de virage de quelques indicateurs colorés (en pH) :
Rouge de méthyle : 4,2-6,2 ; Bleu de bromothymol : 6,0-7,6 ; Rouge de crésol : 7,2-8,8
1. Étude du couple acide benzoïque/ion benzoate.
L’acide benzoïque est un conservateur alimentaire (code E210) utilisé dans certaines boissons. Sur
une bouteille de soda, on note la présence de ce conservateur. Le pH de cette boisson est de 3,8.
1.1. Représenter sur une échelle de pH les domaines de prédominance de l’acide benzoïque et de l’ion
benzoate.
1.2. Préciser quel constituant du couple C6H5COOH/C6H5COO− est majoritaire dans cette boisson.
2. Préparation d’une solution d’acide benzoïque.
L’acide benzoïque est un solide blanc (à 25 °C). On sait que sa solubilité massique dans l’eau, s, est
inférieure à 3 g.L-1 à 25°C. Pour déterminer la valeur exacte de s, on ajoute environ 0,4 g d’acide
benzoïque à 100 mL d’eau distillée. On agite quelques minutes ; il reste du solide non dissous.
2.1. Définir la solubilité massique d’un soluté dans un solvant donné (à 25 °C).
2.2. Expliquer pourquoi, dans le mélange obtenu, le solide n’est pas entièrement dissous.
3. Dosage de l’acide benzoïque.
On filtre le mélange préparé ci-dessus pour obtenir une solution SA de concentration CA en acide
benzoïque.
On prélève VA = 10,0 mL de solution SA que l’on dose par une solution d’hydroxyde de sodium de
concentration Cb = 2,00 × 10-2 mol.L-1.
Le volume versé à l’équivalence et repéré par le changement de couleur de l’indicateur coloré
convenable est Ve = 10,4 mL.
3.1. Étude de la réaction de dosage.
3.1.1. Écrire l’équation de la réaction de dosage.
3.1.2. Donner l’expression de la constante d’équilibre K, associée à cette réaction, d’abord en
fonction des concentrations des différentes espèces chimiques puis l'établir en fonction de Ka,
constante d’acidité du couple C6H5COOH/C6H5COO− et de Ke, produit ionique de l’eau.
3.1.3. Calculer la valeur de K. En déduire si la réaction peut être considérée comme
quantitative.
1/7
3.2. Étude du milieu réactionnel à la demi-équivalence.
On ne tiendra pas compte dans cette question des réactions de l’acide benzoïque et de l’ion benzoate
avec l’eau.
3.2.1. Donner la relation existant entre les concentrations [C6H5COOH] et [C6H5COO−] à la
demi-équivalence ; justifier la réponse.
3.2.2. Établir alors l’expression permettant de calculer le pH à la demi-équivalence. Calculer
sa valeur.
3.2.3. Donner le nom de la solution ainsi préparée, ainsi que ses principales propriétés.
3.3. Étude de l’équivalence du dosage.
3.3.1. Parmi les indicateurs colorés figurant dans la liste (voir données), indiquer celui qui doit
convenir pour ce dosage. Justifier sans calcul.
3.3.2. Établir l’expression de CA. Calculer CA.
3.3.3. En déduire alors la valeur de la solubilité massique, s, de l’acide benzoïque en g.L-1, à
25 °C.
RADIOACTIVITÉ DU CHLORE 36
Données
Symbole de l’élément
Numéro atomique Z
Nom
P
15
phosphore
S
16
soufre
Cl
17
chlore
Ar
18
argon
K
19
potassium
Ca
20
calcium
La loi de désintégration radioactive est N = No × e- λ t.
N représente le nombre de noyaux radioactifs présents dans l’échantillon à l’instant t, No le nombre de
noyaux radioactifs présents à l’instant initial et λ la constante radioactive du radioélément considéré.
Le chlore possède plusieurs isotopes dont trois seulement existent à l’état naturel :
Les deux premiers sont stables alors que le chlore 36 est radioactif.
La période radioactive (ou demi-vie) du chlore 36 est T = 3,01 × 105 ans.
35
17
Cl;
36
17
Cl et
37
17
Cl.
1. Composition des noyaux.
1.1. Définir ce que sont des isotopes.
1.2. Donner la composition des noyaux des isotopes
36
17
Cl et
37
17
Cl.
2. Réaction de désintégration radioactive du chlore 36.
Le chlore 36 est radioactif β-.
2.1. Indiquer le nom de la particule émise lors d’une désintégration β-.
2.2. Écrire l’équation de la réaction de désintégration correspondante (utiliser les données ci-dessus
pour déterminer la nature du noyau fils) et rappeler les règles utilisées.
2/7
3. Période radioactive T et constante radioactive du chlore 36.
3.1. Définir la période T (ou demi-vie) d’un échantillon radioactif.
3.2. Démontrer que λT = ln 2
3.3. Calculer la valeur de la constante radioactive λ du chlore 36 en précisant son unité.
4. Datation d’une eau souterraine.
Les ions chlorure sont presque toujours présents dans les eaux minérales naturelles.
Dans les eaux de surface, le chlore 36 est renouvelé et sa teneur est donc constante (cela sert de
référence). Par contre, ce n’est pas le cas des eaux souterraines des nappes phréatiques non
renouvelées dans laquelle la teneur en chlore 36 diminue au cours du temps.
La détermination de la teneur en chlore 36 d’une eau d’une nappe phréatique (non renouvelée) permet
donc d’estimer la date à laquelle cette nappe phréatique a été formée.
4.1. On analyse un échantillon d’eau prélevés dans une nappe phréatique dans laquelle l’eau n’est pas
renouvelée, on établit que cet échantillon contient 25 % du nombre de noyaux de chlore 36 trouvés
dans les eaux de surface.
Calculer l’âge de cette nappe phréatique.
4.2 On souhaite appliquer cette méthode aux eaux minérales en bouteille afin d’estimer la durée
séparant la mise en bouteille de sa consommation.
N
dans le cas d’une eau ayant été mise en bouteille un
4.2.1. Calculer la valeur du rapport
N0
an avant sa consommation.
4.2.2. La méthode convient-elle à cette situation ? Justifier.
3/7
SYNTHÈSE DE LA VANILLINE
La nature est une source importante d’inspiration ou de matières premières. Ainsi par exemple,
des substances anti-cancéreuses d’origine végétale ont été trouvées : la vinblastine dans la
pervenche de Madagascar et le taxol isolé à partir de l’écorce de l’if.
On se propose d’étudier la vanilline, substance présente dans les gousses de vanille et le benjoin
de Siam ayant pour formule :
H3CO
HO
CHO
Outre son utilisation bien connue pour son parfum et son goût, elle sert également de matière
première pour certaines synthèses telle que celle de la L-DOPA, molécule d’un médicament
contre la maladie de Parkinson.
1. Reproduire la formule de la vanilline, entourer et nommer les groupes fonctionnels présents.
2. La vanilline peut être synthétisée selon le processus décrit ci-après :
Étape 1 : obtention d’un composé A par nitration du benzène
2.1.1. Indiquer le type de réaction mise en jeu.
2.1.2. Indiquer le(s) réactif(s) utilisé(s) et les conditions opératoires pour cette réaction.
2.1.3. Écrire l’équation de cette réaction.
Étape 2 : obtention du 3-nitrobenzaldéhyde (composé B)
On fait réagir avec A un mélange de monoxyde de carbone et de chlorure d’hydrogène en
présence de trichlorure d’aluminium : on obtient le 3-nitrobenzaldéhyde
O 2N
CHO
Transmittance %
2.2.1. Indiquer s’il est possible d’inverser les étapes 1 et 2 sans modifier les positions des
deux substituants sur le noyau benzénique. Justifier.
2.2.2. Le spectre infrarouge du composé B obtenu est reproduit ci-dessous.
À l’aide de la table donnée en annexe, page 7/7, identifier les bandes qui caractérisent
le noyau aromatique et la fonction aldéhyde.
-1
Nombre d’onde cm
4/7
Étape 3 :
La réaction du fer métal en milieu acide chlorhydrique concentré avec B conduit à la formation
d’un composé ionique C, le fer étant transformé en ion fer(II). Après passage en milieu basique,
on obtient un composé D (3-aminobenzaldéhyde).
2.3.1. Après avoir écrit les deux demi-équations électroniques, écrire l’équation de la réaction
aboutissant à C.
2.3.2. Donner la formule semi-développée de D.
Étape 4 :
Un composé ionique E est obtenu en faisant réagir, à basse température, le composé D avec un
mélange de nitrite de sodium (NaNO2) et d’acide chlorhydrique. En chauffant légèrement, E
donne un composé F et un dégagement de diazote.
2.4.1. Écrire l’équation de la réaction permettant le passage de D à E.
2.4.2. Donner le nom de la réaction permettant le passage de D à E.
2.4.3. Donner la formule semi-développée de F.
Étape 5 :
F réagit à froid avec une solution aqueuse d’hydroxyde de sodium pour donner un composé
ionique G.
2.5.1. Préciser à quelle grande famille de réactions appartient la transformation de F en G.
2.5.2. Écrire l’équation de la réaction mise en jeu.
Étape 6 :
La réaction de l’iodométhane avec G permet d’obtenir le composé H.
2.6.1. Donner la formule semi-développée de H.
2.6.2. Parmi ceux proposés, choisir le(s) mot(s) permettant d’indiquer le type de mécanisme
correspondant à cette réaction : addition, substitution, nucléophile, radicalaire, électrophile.
Dernières étapes pour obtenir la vanilline :
Une nitration réalisée sur H peut conduire à plusieurs composés, isomères les uns des autres,
dont le composé I, de formule :
H3CO
O2N
CHO
2.7. Indiquer quelle(s) étape(s) précédemment utilisée(s) il faut à nouveau mettre en œuvre
pour passer de I à la vanilline, en indiquant la formule semi-développée des produits obtenus
à chaque étape.
5/7
ÉTUDE D’UN COMPOSANT DE L’HUILE DE COLZA
L’huile de colza est une huile végétale, utilisée dans les industries agroalimentaire, des
détergents et des carburants « verts ».
Les corps gras sont essentiellement des triesters d’acides gras ; on admet ici que leur formule
générale est (R est un groupement carboné à longue chaîne) :
O
H2C O C R
O
HC
O C R
O
H2C O C R
L’huile de colza est constituée à près de 60 % du triester d’un acide gras appelé acide oléique.
Données
Élément
Masse molaire (g.mol-1)
Numéro atomique
H
1,0
1
C
12,0
6
O
16,0
8
1. Détermination de la structure de l’acide oléique
L’acide oléique est un acide carboxylique à longue chaîne linéaire et de masse molaire égale à
282 g.mol-1.
1.1. La composition centésimale massique de cet acide est :
76,6 % d’élément carbone, 12,1 % d’élément hydrogène et 11,3 % d’élément oxygène.
Déterminer la formule brute de l’acide oléique.
1.2. On réalise différents tests et réactions.
1.2.1. L’eau de dibrome est décolorée par l’acide oléique. Que peut-on déduire de ce test ?
1.2.2. Par coupure oxydante de l’acide oléique, on obtient deux composés différents. Chacun
d’eux possède neuf atomes de carbone.
1.2.2.1. Que peut-on déduire de cette réaction ?
1.2.2.2. Donner le nom et la formule d’un réactif permettant de réaliser la coupure
oxydante.
1.2.2.3. Sachant que l’acide oléique présente une configuration Z, donner sa formule
semi-développée (on rappelle que sa chaîne carbonée est linéaire).
1.2.2.4. Donner les formules semi-développées des deux composés obtenus par
coupure oxydante de l’acide oléique.
2. Saponification
2.1. En utilisant la formule générale des triesters donnée, écrire l’équation de la réaction de
saponification.
2.2. Lors de cette réaction, il se forme un savon et un second produit dont on indiquera le nom
courant et le nom en nomenclature officielle.
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SPECTROSCOPIE INFRAROUGE
Table des nombres d’onde des vibrations de valence et de déformation.
Liaison
Espèce
O-H
O-H
N-H
N-H
Cdi-H
Ctri-H
Ctri-H
Ctet-H
Ctri-H
OH
C≡C
Ctri=O
Alcool libre
Alcool lié
Amine primaire
Amine secondaire
Alcyne
Alcène
Aromatique
Alcane
Aldéhyde
Acide carboxylique
Alcyne
Aldéhyde et cétone
Ctri=O
Ctri=O
Ctri=O
Ctri=Ctri
Ctri=Ctri
N-H amine
Ctet-H
Ctet-H (CH3)
Ctet-O
Ctet-N
Ctri-H de -HC=CH- (E)
(Z)
Ctri-H
Ctri-H
Acide carboxylique
Ester
Amide
Alcène
Aromatique
Amine
Alcane
Alcane
Alcool
Amine
Alcène
C-Cl
C-Br
C-I
Nature des
vibrations
Valence
Valence
Valence
Valence
Valence
Valence
Valence
Valence
Valence
Valence
Valence
Valence
Nombre d’onde
cm-1
3590-3650
3200-3600
Intensité
F : fort ; m : moyen ; f : faible
3300-3500
≈ 3300
3030-3100
3000-3100
2850-3000
2700-2900
2500-3200
2100-2260
1650-1730
abaissement de 20à 30 cm
si conjugaison
Aromatique monosubstitué
Aromatique 1,2-disubstitué
Aromatique 1,3-disubstitué
Aromatique 1,4-disubstitué
Chlorure d'alkyle ou d'aryle
Bromure d'alkyle ou d'aryle
Iodure d'alkyle ou d'aryle
Ctet tétragonal : C
Valence
Valence
Valence
Valence
Valence
Déformation
Déformation
Déformation
Valence
Valence
Déformation
Déformation
Déformation
Déformation
Déformation
Déformation
Valence
Valence
Valence
Ctri trigonal :
C
-1
1700-1725
1735-1750
1630-1700
1620-1690
1450-1600
1560-1640
1430-1480
1370-1390
1010-1200
1020-1250
960-970
670-730
730-770 et 680-720
735-770
740-800 et 680-720
800-860
600-800
500-750
≈ 500
Cdi digonal :
F (fine)
F (large)
m (2 bandes)
m (1 bande)
m ou f
m
m
F
m (2 bandes)
F à m (large)
f
F
F
F
F
m
Variable (3 ou 4 bandes)
F ou m
F
F (2 bandes)
F
m
F
m
F (2 bandes)
F
F et m (2 bandes)
F
F
F
F
C
7/7