Examen central

Central exam
SwissChO 2015
Instructions

Ecrivez votre nom sur chaque page et numérotez-les !

Vous avez trois heures pour résoudre ces problèmes. Attendez le signal START pour
commencer.

Commencez une page neuve à chaque nouveau problème.

Reportez tous vos calculs de manière lisible!

Mettez toutes vos feuilles dans l’enveloppe à la fin de l’examen. Mais n’encollez pas
l’enveloppe !

Arrêtez complètement votre travail quand le signal STOP sera donné.

Ne quittez votre place que quand on vous dira de le faire.

On ne tiendra compte que des réponses écrites sur les feuilles de réponse.

Ce test contient 18 pages.
Bonne chance !
Viel Erfolg !
Buona fortuna !
Good luck !
Version: 2015.1
français
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Constantes et formules
Nombre
d’Avogadro:
NA = 6.022·1023 mol–1
Loi des gaz
parfaits:
pV = nRT
Constante des gaz:
R = 8.314 J·K–1·mol–1
Enthalpie libre:
G = H – TS
Constante de
Faraday:
F = 96485 C·mol–1

 r G   RT ln K  nFE Zelle
Constante de
Planck:
h = 6.626·10–34 J·s
Equation de
Nernst:
Vitesse de la
lumière:
c = 3.000·108 m·s–1
Energie d’un
photon:
E
Température:
0 °C = 273.15 K
Loi de LambertBeer
A  log
hc

I0
 cL
I
Les constantes d’équilibre sont toutes reportées à la concentration standard de 1 mol/dm3. Les
gaz seront toujours considérés comme parfaits
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français
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Table périodique avec les masses atomiques relatives
1
18
1
2
H
He
1.008
2
13
14
15
16
17
4.003
3
4
5
6
7
8
9
10
Li
Be
B
C
N
O
F
Ne
6.94
9.01
10.81
12.01
14.01
16.00
19.00
20.18
11
12
13
14
15
16
17
18
Na
Mg
Al
Si
P
S
Cl
Ar
22.99
24.30
26.98
28.09
30.97
32.06
35.45
39.95
3
4
5
6
7
8
9
10
11
12
19
20
21
22
23
24
25
26
27
28
29
30
31
32
33
34
35
36
K
Ca
Sc
Ti
V
Cr
Mn
Fe
Co
Ni
Cu
Zn
Ga
Ge
As
Se
Br
Kr
39.10
40.08
44.96
47.87
50.94
52.00
54.94
55.85
58.93
58.69
63.55
65.38
69.72
72.64
74.92
78.96
79.90
83.80
37
38
39
40
41
42
43
44
45
46
47
48
49
50
51
52
53
54
Rb
Sr
Y
Zr
Nb
Mo
Tc
Ru
Rh
Pd
Ag
Cd
In
Sn
Sb
Te
I
Xe
85.47
87.62
88.91
91.22
92.91
95.96
-
101.07
102.91
106.42
107.87
112.41
114.82
118.71
121.76
127.60
126.90
131.29
72
73
74
75
76
77
78
79
80
81
82
83
84
85
86
57-71
Hf
Ta
W
Re
Os
Ir
Pt
Au
Hg
Tl
Pb
Bi
Po
At
Rn
178.49
180.95
183.84
186.21
190.23
192.22
195.08
196.97
200.59
204.38
207.2
208.98
-
-
-
104
105
106
107
108
109
110
111
Rf
Db
Sg
Bh
Hs
Mt
Ds
Rg
-
-
-
-
-
-
-
-
55
56
Cs
Ba
132.91
137.33
87
88
Fr
Ra
-
-
89-103
Version: 2015.1
57
58
59
60
61
62
63
64
65
66
67
68
69
70
71
La
Ce
Pr
Nd
Pm
Sm
Eu
Gd
Tb
Dy
Ho
Er
Tm
Yb
Lu
138.91
140.12
140.91
144.24
-
150.36
151.96
157.25
158.93
162.50
164.93
167.26
168.93
173.05
174.97
89
90
91
92
93
94
95
96
97
98
99
100
101
102
103
Ac
Th
Pa
U
Np
Pu
Am
Cm
Bk
Cf
Es
Fm
Md
No
Lr
-
232.04
231.04
238.03
-
-
-
-
-
-
-
-
-
-
-
français
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SwissChO 2015
Problème 1 – QCM
7 points
Il se peut qu’il y ait parfois plusieurs réponses correctes.
a)
Un morceau de métal magnésium réagit avec de l’acide chlorhydrique dilué selon
l’équation:
Mg(s) + 2HCl(aq)
MgCl2(aq) + H2(g)
Quelle méthode est la meilleure pour suivre en temps réel la vitesse de la réaction ?
A
Peser le
magnésium
b)
C
La concentration
de MgCl2
D
Mesurer le
volume de H2
Lesquelles des espèces suivantes ont un atome central qui suit la règle de l’octet ?
A
c)
B
Mesurer le pH de
la solution
NO
B
BH4-
C
PCl5
D
BF3
E
XeF4
Lesquelles des phrases suivantes sont exactes?
A
KNO3 est un sel dépourvu de toute capacité oxydante
B
L’atome O de PbO2 est au degré d’oxydation -1, donc c’est un peroxyde
C
Comme C et Si sont dans la même colonne, CO2 et SiO2, sont tous deux
gazeux à 298 K.
D
Le degré d’oxydation de O dans OF2 est +2
E
H2O2 possède des propriétés oxydantes, donc pas de propriétés
réductrices
d)
Les composés suivants sont acides en solution aqueuse. Lesquels ne sont pas des
acides de Brönsted ?
A
e)
H2SO4
B
C
H3BO3
D
H4SiO4
E
H2CrO4
Le déclanchement d’une forte décharge électrique dans un mélange gazeux
Hydrogène-Hélium, produit des ions instables HeH+. Ces ions vont se décomposer
Quel est le mode de décomposition qui demande le moins d’énergie ?
A
HeH+  He + H+
f)
H3PO4
B
C
D
HeH+  He+ + H HeH+  He2+ + H- A and B
½ N2(g) + O2(g)

NO2(g)
K1
2 NO2(g)

N2O4(g)
K2
Les réactions données ci-dessus ont des constantes d’équilibre K1 et K2,
respectivement. Quelle est la constante d’équilibre de l’équation suivante, en fonction
de K1 et K2?
N2O4(g)
A
Version: 2015.1

K1K2
N2(g) + 2 O2(g)
B
K12K2
C
K1K22
français
D
1/K1K22
E
1/K12K2
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g)
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Lesquels des carbocations suivants devraient se réarranger ?
A
Version: 2015.1
B
C
français
D
E
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Problème 2 – Protolyse
6 points
1.00 g de NH4Cl et 1.00 g de Ba(OH)2·8H2O sont dissous et mélangés dans 80 mL eau. Puis
on ajoute assez d’eau pour que le volume total soit de 100 mL. Il se forme NH3 dans l’opération,
mais cette substance reste en solution.
Noter que le pKa de l’ion NH4+ est : pKa = 9.24.
a)
Calculer le pH de la solution finale.
b)
Calculer la concentration molaire de tous les ions présents en solution
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Problème 3 – Stœchiométrie
5 points
Le chlore gazeux Cl2 se dissout dans une solution chaude de KOH 12 M, et il réagit pour
former un mélange de KCl, KClO3 et H2O.
a)
b)
c)
d)
Etablir l’équation de cette réaction.
Quel volume de chlore gazeux à 25 °C et 1 bar doit-on introduire dans cette solution
de KOH pour produire 100 g de KClO3 en solution ? (Si vous ne trouvez pas l’équation
de la question a), faites l’hypothèse qu’il faut 5 moles de Cl2 pour produire 1 mole de
KClO3)
Quel volume de la solution de KOH est nécessaire pour faire cette réaction ? (Là
encore, si vous n’avez pas résolu la question a), supposez qu’il faut 4 mol de KOH
pour faire 1 mol de KClO3
A la fin de la réaction, la solution est refroidie à 0 °C, température à laquelle 100 mL
d’eau ne dissout que 3.1 g de KClO3. Quelle masse de KClO3 insoluble se dépose
pendant ce refroidissement?
Version: 2015.1
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Problème 4 – Titrage
4 points
La concentration des ions fluorure en solution acide peut être déterminée par titrage avec de
l’acide borique (H3BO3) en solution aqueuse, si on sait que la réaction forme HBF4. On dispose
d’un échantillon de fluorure impur pesant 15.689 g. On le dissout dans de l’eau pure de
manière à avoir un volume total de 100 mL. On en prélève 5 mL, qu’on titre avec de l’acide
borique 0.478 mol/L. Le point d’équivalence est atteint quand13.56 mL d’acide borique a été
utilisé.
a)
Ecrire l’équation de la réaction.
b)
Calculer le pourcentage en masse du fluor dans l’échantillon initial. Si vous n’avez pas
trouvé l’équation à la question a), supposez que 1 molécule d’acide borique réagit avec
deux ions fluorure.
Version: 2015.1
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Problème 5 – Thermochimie
3 points
Un échantillon de magnésium métallique pesant 0.486 g est placé dans un bécher contenant
100 mL de HCl 2 M à 25 °C. Une vive réaction se produit qui dégage du gaz H2 et forme des
ions Mg2+ en solution. La chaleur de formation de l’ion Mg2+ est de -462 kJ/mol. Calculer la
température finale de la solution, en sachant que la chaleur massique de la solution est de
4.185 J/g/K.
Version: 2015.1
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Problème 6 – Equilibre d’un composé interhalogéné
6 points
Les halogènes forment toute une série de composés interhalogénés qui sont plus ou moins
stables. Un de ces composés est le chlorure de brome BrCl qui se décompose à 500 ºC en
ses éléments. La constante de l’équilibre de décomposition de 2 BrCl vaut : Kc = 32.
Nous allons considérer un système particulier, appelé système I, caractérisé par la
composition initiale suivante : c(BrCl) = c(Br2) = c(Cl2) = 0,25 mol/L
a)
b)
c)
d)
e)
f)
Ecrire l’équation de la décomposition de BrCl.
Montrer par calcul que la composition du système I n’est pas à l’équilibre.
Dans quelle direction le système va-t-il évoluer ?
Calculer la valeur de Kp.
Calculer les concentrations à l’équilibre de BrCl, Br2, et Cl2 dans le système I.
G est relié à Gº par l’équation G = Gº + RT lnQ, où Q est le quotient réactionnel.
Quelle est l’enthalpie libre de la réaction de décomposition dans le système I ?
Version: 2015.1
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Problème 7 – Pollution au chromate
4 points
Une certaine quantité de chromate de plomb (PbCrO4) a été accidentellement jetée dans un
réservoir d’eau de la ville, et on voudrait savoir si cette eau est encore potable. Le produit de
solubilité Ksp du chromate de plomb à 18 ºC est de 1.77 x 10-14.
a)
Quelle est la solubilité du chromate de plomb dans l’eau pure?
b)
Un groupe de techniciens pense qu’on peut diminuer cette solubilité en ajoutant du
chromate de potassium K2CrO4. Quelle est la solubilité du chromate de plomb dans
une solution de chromate de potassium à 0.1 mol/L?
c)
D’autres techniciens pensent que les ions chromate peuvent être éliminés de cette eau
en ajoutant du nitrate de plomb. Quelle serait la solubilité du chromate de plomb dans
une solution de nitrate de plomb à 3.0 x 10-7 mol/L?
Version: 2015.1
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Problème 8 – Loi de Beer-Lambert
3 points
La concentration d’une solution colorée peut être déterminée par la loi de Beer-Lambert.
La solution d’un colorant X de concentration c(X) = 4.78 * 10-5 mol/L possède une absorbance
de 0.738, si on la mesure avec une cuvette d’épaisseur 0.5 cm. Une autre solution du même
colorant X possède une absorbance de 0.395, dans les mêmes conditions.
a)
Quelle est la concentration de X dans ce nouvel échantillon?
Une goutte d’un autre colorant Y (dont la valeur εB = 5’838 L* cm / mol) tombe par mégarde
dans une solution de X, dont la concentration est 3.21 * 10-5 mol/L. L’absorbance de cette
nouvelle solution est mesurée comme précédemment et on trouve: A = 0.864.
b)
Calculer la concentration de Y dans cette solution.
Version: 2015.1
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Problème 9 – Théorie VSEPR
7 points
Dessiner la structure dans l’espace à 3 dimensions des molécules et structures suivantes, en
s’inspirant de la théorie VSEPR.
a)
NH3
b)
H2O
c)
NO2-
d)
PCl5
e)
COCl2
f)
ClF3
g)
NO2+
h)
SF6
Version: 2015.1
français
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Problème 10 – Chimie organique
4 points
C2H4 est traité par HBr et il se forme une nouvelle substance A. Cette substance A réagit avec
NaOH et forme une nouvelle substance B (C2H6O).
Puis B est oxydé dans une solution acide de KMnO4 et se transforme en C (C2H4O2).
Puis un autre échantillon de B est mélangé avec C en absence d’eau, mais en présence d’un
catalyseur acide. Et la réaction produit une substance D (C4H6O2)
Déterminer les structures de Lewis de A, B, C et D.
Version: 2015.1
français
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Problème 11 – Propriétés des acides organiques
9 points
a)
Combien d’acides carboxyliques différents possèdent la formule globale C5H10O2?
Dessiner et nommer tous ces composés. Indiquer lesquels sont optiquement actifs, en
plaçant des astérisques sur les atomes chiraux.
b)
Classer ces acides par ordre décroissant de pKa en solution aqueuse. Expliquez votre
raisonnement.
c)
Si on prend du propan-1-ol marqué à l’isotope 18O et qu’on le fait réagir avec de l’acide
éthanoïque ordinaire, il se forme un produit organique qui a conservé l’oxygène 18O.
Dessiner ce produit, et proposer un mécanisme général pour cette réaction acide
carboxylique + alcool.
d)
Si on effectue la même réaction avec du propanol ordinaire et de l’acide éthanoïque
marqué à 18O, établir la structure des produits formés dans les deux cas suivants :
i)
pour une réaction qui se passe dans HCl 1 mol/L
ii)
pour un mélange initialement formé dans NaOH 1 mol/L, suivi par une
acidification à DCl 1 mol/L
Version: 2015.1
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Problème 12 – Oxydations et réductions organiques
9 points
Réductions
a)
b)
c)
Oxydations
d)
e)
f)
g)
Version: 2015.1
français
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h)
i)
Version: 2015.1
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Problème 13 – Réaction des radicaux libres
3 points
Le tert-butylperoxyde est un liquide stable, facile à manier, qui sert à la formation de radicaux
libres, si on le chauffe à 130°C, selon l’équation suivante.
(CH3)3CO–OC(CH3)3
2 (CH3)3CO
Le mélange de méthylpropane et de CCl4 est parfaitement stable à 130-140 ºC. Mais si on
ajoute une petite quantité de tert-butylperoxyde, une réaction se produit qui forme du 2-chloro2-méthyl-propane et du chloroforme. De plus il se forme un peu de 2-méthyl-propan-2-ol, en
quantité qui correspond au double de la quantité de catalyseur utilisé.
La première réaction est l’attaque du radical sur le méthylpropane.
Indiquer les diverses étapes possibles pour le mécanisme de cette réaction.
Version: 2015.1
français
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