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BACCALAURÉAT TECHNOLOGIQUE -- SESSION 2004 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. PH ET PRÉCIPITATION Données (à 25 °C) : • Produit de solubilité de l’hydroxyde d’aluminium : pKS = 33 • Constante d’acidité du couple NH4+/ NH3 : pKA = 9 ,2 • Produit ionique de l’eau : pKe = 14 1. Une solution aqueuse d’ammoniac NH3 a pour concentration molaire 0,20 mol.L-1. 1.1. Sans aucun calcul, expliquer si cette solution est acide, neutre ou basique. 1.2. Calculer le pH de cette solution ; démontrer la relation utilisée. 2. On considère 1,0 L d’un mélange (M) contenant 0,20 mol d’ammoniac et 0,20 mol de chlorure d’ammonium. 2.1. Indiquer la nature de cette solution. 2.2. Préciser les propriétés d’un tel mélange. 2.3. Donner la valeur du pH de (M) – aucun calcul n'est demandé. 3. On dissout en milieu acide 1,0×10-2 mol de chlorure d’aluminium dans 1,0 L d’eau. On augmente progressivement le pH en y ajoutant de la soude concentrée ; le volume de la solution reste constant. On observe la formation d'un précipité (hydroxyde d’aluminium) qui se redissout. 3.1. Écrire l’équation de la réaction traduisant la formation du précipité d'hydroxyde d'aluminium. 3.2. Donner l'expression du produit de solubilité KS de l’hydroxyde d’aluminium. 3.3. Calculer le pH à partir duquel l'hydroxyde d'aluminium commence à précipiter. 3.4. La redissolution du précipité a lieu en milieu basique selon la réaction : Al(OH)3(s) + HO− [Al(OH)4]− La constante de cet équilibre est K = 100. 3.4.1. Donner l’expression littérale de K. 3.4.2. En déduire la valeur du pH pour laquelle la dernière trace de précipité disparaît. 1/5 CHIMIE STRUCTURALE ET ÉLECTROCHIMIE Les questions 1 et 2 sont indépendantes. Données : • Masse molaire : MAg = 108 g.mol-1 • Numéro atomique du fer : Z = 26 • Charge d’une mole d’électron : 1 F = 96500 C.mol-1 1. Configurations électroniques 1.1. Donner la structure électronique de l’atome de fer dans son état fondamental. 1.2. Préciser à quel bloc d’éléments (s, p, d ou f) de la classification périodique appartient le fer. Justifier. 2. Étude d’une pile argent/zinc Une pile est constituée à partir de deux demi-piles, reliées par un pont salin : • demi-pile n° 1 : un fil d’argent de 1,08 g plongeant dans une solution contenant des ions Ag+ à la concentration 0,10 mol.L-1 ; • demi-pile n° 2 : une lame de platine plongeant dans une solution contenant des ions Fe2+ à la concentration 0,20 mol.L-1 et des ions Fe3+ à la concentration 0,20 mol.L-1. La réaction (1) : Fe2+ + Ag+ Ag(s) + Fe3+ a pour constante K = 3,0, à 25 °C. Elle peut se produire, dans un sens à déterminer, lorsque la pile débite. 2.1. Donner l’expression du quotient de réaction Qr, pour la réaction (1) ; calculer sa valeur dans l'état initial, avant que la pile débite. 2.2. En déduire alors dans quel sens la réaction a lieu lorsque la pile débite. 2.3. Préciser la nature de l'anode et de la cathode de cette pile. 2.4. Faire un schéma annoté de la pile ; indiquer le sens du passage du courant et le sens de déplacement des électrons. Indiquer les polarités de la pile. 2.5. Donner les équations des réactions qui se produisent à chaque électrode. 2.6. On laisse la pile débiter et on constate au bout d'un certain temps que le fil d'argent a complètement disparu. Déterminer la quantité d'électricité qui a alors traversé le circuit. 2/5 ANALYSE D'UN COMPOSÉ ORGANIQUE Données Élément Masse molaire (g.mol-1) C 12,0 H 1,0 O 16,0 1. A est un ester de masse molaire 130 g.mol–1. L'analyse élémentaire de A donne les résultats suivants : % C : 64,6 % H : 10,8 %O : 24,6 Vérifier, en explicitant les calculs, que la formule brute de A est C7H14O2. 2. On fait réagir à chaud l'ester A avec une solution aqueuse de potasse (K+ + OH−). Cette réaction donne de l'éthanol et un anion organique B. L’action d’un acide fort sur B donne un composé neutre B'. Le spectre infrarouge de B' est fourni ci-dessous. 3. 2.1. Donner la formule brute de B, puis de B' ; justifier la réponse. 2.2. Identifier les bandes qui caractérisent la fonction organique portée par B'. 2.3. Écrire les formules semi-développées et donner les noms en nomenclature officielle de tous les isomères de chaîne correspondant à la formule brute de B'. 2.4. Indiquer le nom de B’ sachant qu’il s’agit d’une molécule chirale : justifier la réponse. Écrire la formule semi-développée de A et donner son nom en nomenclature officielle. 3/5 PRÉPARATION D'UN MÉDICAMENT : LA BENZÉDRINE On étudie la synthèse d'un produit à usage pharmaceutique: la benzédrine, stimulant du système nerveux central. La formule semi-développée de la benzédrine est : CH2 CH CH3 NH2 Élément Numéro atomique a) C 6 Données H 1 O 8 Le benzène réagit avec le méthanol anhydre en présence d'acide sulfurique. On obtient M, C6H5CH3. b) L'action du dichlore gazeux, sous une forte lumière ultraviolette, sur M conduit à un composé N de formule brute C7H7Cl (dont le nom trivial est chlorure de benzyle). c) N réagit avec le magnésium dans l’éther anhydre : on obtient P. d) P traité par de l'éthanal anhydre donne Q. e) L'hydrolyse de Q en milieu acide aboutit à R. f) La réaction du pentachlorure de phosphore avec R conduit à S. g) Finalement S est transformé en benzédrine par réaction avec l'ammoniac. 1. Étude de l'étape a). 1.1. Écrire l’équation de la réaction mise en jeu. 1.2. La réaction mise en jeu est une "substitution électrophile". Expliquer le terme "électrophile" et identifier l'espèce électrophile intervenant. 2. Étude de la réaction b). 2.1. Écrire l'équation de la réaction mise en jeu. 2.2. Donner le nom officiel de N. 3. Étude des étapes c) à e). 3.1. Écrire, pour chacune de ces étapes, l’équation de la réaction mise en jeu. 3.2. Indiquer les noms officiels des composés P et R. 4. Étude des étapes f) et g). 4.1. Écrire, pour chacune de ces étapes, l’équation de la réaction mise en jeu. 4.2. Montrer que la molécule de benzédrine est chirale. 4.3. Donner la représentation de Cram des deux énantiomères de la benzédrine. 4.4. Préciser lequel des deux énantiomères possède la configuration absolue S ; justifier la réponse. 4/5 SPECTROSCOPIE INFRAROUGE. Table des nombres d’onde des vibrations de valence et de déformation. Liaison O-H alcool libre O-H alcool lié N-H amine primaire : 2 bandes secondaire: 1 bande Cdi-H Ctri-H Ctri-H aromatique Ctet-H Ctri-H aldéhyde O-H acide carboxylique C≡C alcyne C=O aldéhyde et cétone Nature Valence Valence Valence Nombre d’onde cm-1 3590-3650 3200-3600 3300-3500 Valence Valence Valence Valence Valence Valence Valence Valence ≈ 3300 3030-3100 3000-3100 2850-2970 2700-2900 2500-3200 2100-2260 1650-1730 Intensité F ; fine F ; large m m ou f m m F m F à m ; large f F abaissement de 20à 30 cm-1 si conjugaison C=O acide C=C alcène C=C aromatique N-H amine Ctet-H Ctet-H (CH3) Ctet-O alcool Ctet-N amine Ctet-F Ctri-H de -HC=CH- (E) (Z) Ctri-H aromatique monosubstitué Ctri-H aromatique o-disubstitué m-disubstitué p-disubstitué Ctet-Cl Ctet-Br Ctet-I Ctet tétragonal : C Valence Valence Valence 1725-1700 1620-1690 1450-1600 Déformation Déformation Déformation Valence Valence Valence Déformation Déformation Déformation 1560-1640 1430-1480 1370-1390 1010-1200 1020-1250 1000-1400 960-970 670-730 730-770 et 680-720 Déformation Déformation Déformation Valence Valence Valence 735-770 F 750-800 et 680-720 F et m ; 2 bandes 800-860 F 600-800 F 500-750 F F ≈ 500 F:fort ; m:moyen : ; f: faible Ctri trigonal : 5/5 C Cdi digonal : F m Variable ; 3 ou 4 bandes F ou m F F ; 2 bandes F m F F m F ; 2 bandes C
