Correction de l`écrit - Olympiades de chimie

Olympiades de la Chimie 2005, Académie de Lyon, Page 1 sur 8
XXI èmes Olympiades de la Chimie 2005
« Chimie et Habitat »
Académie de Lyon
Epreuve Ecrite – Durée 2h30 – Mercredi 19 Janvier 2005
Correction
Ce sujet comprend 3 parties indépendantes
Partie I. Le calcaire : calcination, dégradation (20 points)
Questions/Réponses :
I.1. Dans l’étape c de calcination, justifier par le calcul la perte de masse d'environ 45 %.
L’équation de la réaction chimique correspondant à l’étape c s’écrit :
(/0.5) CaCO3(s) = CaO(s) + CO2(g)
(/1) La transformation de une mole de CaCO3, soit une masse de 100 g, s’accompagne du dégagement d’une mole de
dioxyde de carbone gazeux, soit une perte de masse de 44 g. La perte de masse est de 44 %.
I.2. Dans l’étape d, la chaux vive est éteinte : écrire l’équation de la réaction de transformation.
(/0.5) CaO(s) + H2O(l ) = Ca(OH)2(s)
I.3. En fin d’étape d, de l’hydroxyde de calcium (chaux éteinte) en poudre est obtenu.
Cette espèce chimique est mise en solution, on agite pour obtenir une solution saturée.
a) Quelle observation prouvera que la solution est saturée ?
(/0.5) Quand la solution est saturée, il reste de l’hydroxyde de calcium solide non dissous.
b) Calculer la concentration molaire de la solution saturée en hydroxyde de calcium.
(/1) La solubilité de l’hydroxyde de calcium est de 1,6 g.L- 1 soit de == 44
1,6
M
m2,2.10 – 2 mol.L- 1.
c) Cette solution est basique. Détailler les calculs qui conduisent à la valeur du pH = 12,6.
La mise en solution de l’hydroxyde de calcium a pour équation chimique :
Ca(OH)2 = Ca2 + + 2 HO –
état initial 2,2.10 – 2 0
état final 2,2.10 – 2 - xmax 2x
max
0 4,4.10
– 2 mol dans 1 litre
(/2) Dans la solution obtenue [H3O+] . [HO -] = 10 – 14 donc [H3O+] = 13
2
14 10.3,2
10.4,410 −
−
−= ⇒ pH = 12,6.
(/0.5)

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I.4. Dans l’étape f, l’eau du mortier fixe le dioxyde de carbone.
a) Ecrire cette réaction acido-basique et donner les deux couples acide/base qui interviennent.
(/0.5) CO2,H2O + H2O = HCO3- + H3O +
(/0.5) Les deux couples qui interviennent sont CO2, H2O / HCO3- et H3O + / H2O.
b) Calculer la constante d’équilibre K de cette réaction acido-basique.
(/1) K =
[
]
[
]
[]
=
−+
OH,CO HCOOH
22
33 KA = 10 – 6,4 = 3,98 . 10 – 7.
c) Donner alors l’équation chimique de la réaction de ‘’prise’’ du mortier, c'est-à-dire de sa solidification, et
justifier votre réponse.
(/1) Ca(OH)2 (s) + CO2 (g) = CaCO3 (s) + H2O(l )
(/0.5) Ca CO3 assure la solidité et au cours du séchage l’eau s’évapore.
I.5. a) Donner la composition d’un mortier et quels en sont les agrégats possibles.
(/0.5) Un mortier est constitué de chaux, d’eau et d’agrégats (sable ou / et graviers).
b) Justifier le titre du schéma : ‘’ Le cycle de la chaux ’’.
(/1) A partir du calcaire, on fabrique la chaux vive puis la chaux éteinte, utilisée dans le mortier qui, lors de sa
prise, donne comme produit du calcaire.
I.6. Sous l’influence du gel ou des pluies acides, la pierre et le calcaire se dégradent en espèces hydrosolubles.
Cette dégradation peut être modélisée par les équations chimiques suivantes que l’on complètera :
(/1) CO2(g) + H2O(l) + CaCO3(s) = ……2 HCO3-(aq) + Ca 2 +(aq)…
hydrogénocarbonate de calcium
(/1) SO2(g) + 1/2O2(g) + CaCO3(s) = SO4 2 –(aq). + CO2(g)
sulfate de calcium
I.7. Pour consolider les pierres ou réaliser l’étanchéité des habitations, on peut utiliser des résines de silicone.
a. Quel est l’élément de ‘’base’’ des silicones ? Sous quelle forme se présente-t-il naturellement ?
(/1) Il s’agit du silicium, élément très abondant dans la silice (sable).
b. Quels sont les autres éléments entrant dans la constitution des silicones ?
(/1) O, C et H.
c. S’agit-il d’un composé organique ou minéral ?
(/1) C’est un composé à la fois organique et minéral.
d. Quelle est la différence de structure entre une huile et une résine silicone ?
(/1) Dans une huile, les chaînes sont linéaires et dans une résine, elles sont réticulées.

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+
+
Si
CH3
CH3
OEt Si
CH3
CH3
HO Si
CH3
CH3
OSi
CH3
CH3
Et O H
e. Citer quelques caractéristiques de ces produits.
(/1) grande stabilité thermique, résistance aux U.V., à l’oxydation, comportement élastique, absence de toxicité,
hydrophobie, etc…
f. Comment expliquer leur caractère hydrophobe ?
(/1) Les groupements –CH3 sont non polaires.
g. Compléter l’écriture de la réaction de base d’obtention d’une résine silicone
(/1)

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Partie II. Le polyvinyle de chlorure (PVC) (28,5 points)
II.A Obtention du dichlore gazeux Cl2(g) :
II.A.1 Le réseau cristallin du chlorure de sodium :
Questions :
1. Le noyau de l’atome de chlore porte une charge totale Q = 2,72.10-18 C. Quel est le numéro atomique De
l’élément chlore ?
(/1) 17
106,1 1072,2 19
18 =
×
×
== −
−
proton
qQ
Z
2. Donner la structure électronique de l’atome de chlore dans son état fondamental. Combien possède-t-il
d’électrons sur la couche externe ?
(/0.5) 17Cl : K2L8M7. La dernière couche électronique est la couche M.
(/0.5) Elle possède 7 électrons.
3. Pourquoi l’ion chlorure Cl- est l’ion stable que peut former l’atome de chlore ?
(/0.5) Par application de la règle de l’octet, la couche externe M doit gagner un électron
4. Donner le nombre et la nature des particules constituant l’atome de sodium Na (A=23, Z=11) et l’atome de
chlore Cl (A=35). Faire de même pour les ions Na+ et Cl-.
(/0.5)
.17
;1818
;1717
;
.11
;1212
;1111
35
17
23
11
électrons
neutronsZA
protonsZ
Cl
électrons
neutronsZA
protonsZ
Na ⇒=−
⇒=
⇒=−
⇒=
(/0.5)
(/0.5)
.18
;18
;17
;
.10
;12
;11
électrons
neutrons
protons
Cl
électrons
neutrons
protons
Na −+ (/0.5)
5. Pourquoi la masse de ces ions est-elle pratiquement égale à celle des atomes ?
6. Calculer la masse en kg des ions Na+ et Cl-.
(/1)
⎪
⎩
⎪
⎨
⎧
×=××=≈
×=××=≈
⇒
⎪
⎩
⎪
⎨
⎧
−=
+=
⇒
⎪
⎩
⎪
⎨
⎧
<<
×=
−−+
−−−
+
−
kgNamNam
kgClmClm
mNamNam
mClmClm
mm
mAm
électron
électron
nucléonélectron
nucléonatome
2627
2627
1084,31067,123)()(
;1084,51067,135)()(
)()(
;)()(
7. Trouver une relation simple entre l’arête a du cube représentant la maille et les rayons r+ et r-. En déduire
la valeur de a et le volume d’une maille en m3.
(/0.5) 328312 1076,1;10560)(2 maVmrra maille −−
−+ ×==×=+= (/0.5)
8. Pourquoi peut-on s’attendre à ce que la maille compte autant d’ions Na+ que d’ions Cl- ?
(/1)Le principe de neutralité électrique de la matière impose que le cristal contiennent autant de charges
élémentaires positives que de charges élémentaires négatives. Il est donc normal que la maille compte
autant d’ions Na+ que d’ions Cl-.

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9. Rechercher le nombre d’ions Na+ et d’ions Cl- qui sont effectivement à l’intérieur d’une maille.
Nombre des Cl- dans la maille :
• pour les ions au sommet, seulement 1/8 de la matière appartient à la maille : 8 x 1/8 = 1 ion Cl- ;
• pour les ions placés au centre des faces, la moitié de la matière est dans la maille : 6 x 1/2 = 3 ions Cl- ;
(/1) La maille contient 4 ions Cl-
Nombre des Na+ dans la maille :
• pour les ions situés au milieu d’une arrête, seulement 1/4 de la matière appartient à la maille : 12 x 1/4 = 3
ions Na+ ;
• l’ion central appartient totalement à la maille : 1 ion Na+ ;
(/1) La maille contient 4 ions Na+
10. À l’aide de la question 6 déterminer la masse de la maille.
(/1) kgmmm ClNamaille 252626 1087,3)1084,51084,3(4)(4 −−− ×=×+××=+×=
11. En déduire la masse volumique du chlorure de sodium.
(/1) 33
28
25 .1020,2
1076,1 1087,3 −
−
−
×=
×
×
== mkg
V
m
maille
maille
ρ
II.A.2. Electrolyse de la solution de chlorure de sodium :
Questions :
12. Qu’appelle-t-on électrolyte ?
(/0.5) On appelle électrolyte toute substance conductrice du courant électrique et que le passage du
courant modifie chimiquement.
13. A partir du couple Cl2(g) / Cl-(aq), écrire la demi équation d’oxydoréduction qui se produit à l’anode.
(/1) −− += eClCl gaq )(2)( 2
1
14. Quel est le gaz qui se dégage du côté de la cathode ? Dihydrogène H2. (/0.5)
15. La phénolphtaléine est un indicateur coloré dont les teintes en fonction du pH sont les suivantes : incolore
pour un pH < 8, rose pour un pH compris entre 8 et 10 et rouge violacé lorsque le pH est supérieur à 10.
Quelle espèce chimique en solution est présente au niveau de la cathode ?
(/0.5)Ions hydroxydes HO-.
16. La réaction qui a lieu à la cathode est la réduction de l’eau. En sachant que cette réduction donnera comme
produits les espèces chimiques identifiées aux questions 14 et 15, écrire cette demi-équation.
(/1) )(2)()(2 2
1gaql HHOeOH +=+ −−
17. En utilisant les questions 13 et 16, donner l’équation de l’électrolyse du chlorure de sodium.
(/1) )(2)()(2)(2)( 2
1
2
1gaqglaq HHOClOHCl ++=+ −−
(Les ions Na+ étant indifférents, ils n’ont pas été représentés)
18. L’électrolyse industrielle d’une solution de chlorure de sodium fait apparaître 2700 m3 de dichlore (volume
mesuré dans les conditions où le volume molaire est 30 L.mol-1). Calculer la masse du chlorure de sodium NaCl
qui a été transformé au cours de cette électrolyse.