chimie - Eduscol

BACCALAURÉAT TECHNOLOGIQUE -- SESSION 2002
SÉRIE SCIENCES ET TECHNOLOGIES DE LABORATOIRE
SPÉCIALITÉ : CHIMIE DE LABORATOIRE ET DE PROCÉDÉS INDUSTRIELS
Épreuve : PHYSIQUE - CHIMIE
CHIMIE
Durée 3 h
Coefficient 4
CHIMIE STRUCTURALE ET ÉLECTROCHIMIE
Données (à 25 °C)
RT ln(x) = 0,06 lg(x), en V
F
Potentiels redox standard : E°(Cu2+/Cu(s)) = 0,34 V
E°(Zn2+/Zn(s)) = − 0,76 V
1. Étude du noyau
Le numéro atomique du zinc est Z = 30. L'élément zinc possède cinq isotopes naturels : 64Zn,
67
Zn,68Zn et 70Zn.
1.1. Définir le mot « isotope ».
1.2. Déterminer les nombres de protons et de neutrons présents dans les noyaux de 64Zn et 66Zn.
66
Zn,
2. Structure électronique.
2.1. Indiquer la configuration électronique de l'atome de zinc dans son état fondamental.
2.2. Même question pour l'ion Zn2+.
3. Fonctionnement d'une pile zinc/cuivre.
Une pile zinc/cuivre est constituée par les éléments suivants :
- compartiment (1) : lame de zinc plongeant dans une solution de sulfate de zinc(II), de volume
V1 = 100 mL, de concentration 0,10 mol.L−1.
- compartiment (2) : lame de cuivre plongeant dans une solution de sulfate de cuivre(II), de volume
V2 = 100 mL, de concentration 0,25 mol.L−1.
- pont salin.
L'étude de la pile s'effectue à 25 °C.
3.1.Pour chaque électrode, donner l’expression du potentiel rédox et calculer sa valeur ; en déduire la
polarité de la pile.
3.2. Faire un schéma annoté de la pile ainsi constituée en précisant le sens de déplacement des porteurs de
charge et leur nature lorsque la pile débite.
3.3. Écrire alors les réactions qui ont lieu à chaque électrode et en déduire le nom de chacune des deux
électrodes.
3.4. Donner l'équation de la réaction de fonctionnement de la pile.
1/5
LES IONS ZINC (II) EN SOLUTION AQUEUSE
Les questions 1. et 2. sont indépendantes.
Données (à 25 °C)
• Produit de solubilité :
Zn3(PO4)2
KS = 1,0×10−32
• Constante de dissociation de complexe :
[Zn(NH3)4]2+
KD = 8,7×10-10
• Conductivités molaires ioniques (λ°) à dilution infinie, en mS.m2.mol−1
λ°(Cl−) = 7,6
λ°( 1 Zn2+) = 5,3 ou λ°(Zn2+) = 10,6
2
1. Étude de la conductivité d'une solution contenant des ions zinc (II).
On considère une solution aqueuse de dichlorure de zinc (II) (ZnCl2), de concentration 1,2×10-3 mol.L-1.
1.1.1. Donner la relation permettant de calculer la conductivité γ de cette solution en fonction des
concentrations molaires volumiques des espèces en solution et des conductivités molaires ioniques
à dilution infinie.
1.1.2. Préciser les unités des grandeurs utilisées dans la relation.
1.2. Calculer la conductivité de la solution de dichlorure de zinc (II).
2. Solubilité et complexation des ions zinc(II).
2.1. Le diphosphate de trizinc (II), Zn3(PO4)2, est un composé peu soluble.
2.1.1. Écrire l'équation de la réaction traduisant la mise en solution de ce composé.
2.1.2. Exprimer sa solubilité s en fonction du produit de solubilité Ks deZn3(PO4)2.
2.1.3. Calculer s en mol.L−1.
2.2. On veut dissoudre du diphosphate de trizinc (II) au moyen d'une solution d'ammoniac, par formation
du complexe [Zn(NH3)4]2+.
2.2.1. Indiquer le nom officiel de ce complexe.
2.2.2. Écrire l'équation de la réaction de l'ammoniac avec le diphosphate de trizinc (II).
2.2.3. Donner l'expression de la constante K de cette réaction.
2.2.4. Exprimer la constante de dissociation du complexe [Zn(NH3)4]2+.
2.2.5. Donner la relation liant K, KS et KD.
2.2.6. Calculer la valeur numérique de K. Indiquer alors si la dissolution du diphosphate de trizinc
(II) demande ou non un grand excès d’ammoniac (aucun calcul n’est demandé).
2/5
SYNTHÈSE DE POLYMÈRES
Données
Élément
Masse molaire (g.mol-1)
Numéro atomique
C
12,0
6
H
1,0
1
O
16,0
8
1. On envisage la synthèse du buta-1,3-diène (composé D), à partir d’un composé A.
1.1. Détermination de la formule de A.
A donne un précipité jaune-orangé avec la 2,4-dinitrophénylhydrazine et un précipité rouge brique avec la
liqueur de Fehling.
1.1.1. Indiquer la fonction chimique présente dans A.
1.1.2. Sachant que la masse molaire de A est M(A) = 44 g.mol-1, en déduire la formule semidéveloppée de A et son nom en nomenclature officielle.
1.2. Synthèse du buta-1,3-diène D à partir de A grâce à la suite de réactions ci-dessous :
OH
2A
B
B
1. LiAlH4
2 . H3 O
C
+
C ( b u ta n e - 1 , 3 - d io l )
H3 PO 4
D + 2 H 2O
∆
1.2.1. Identifier, dans le spectre infrarouge du composé B pur, les deux bandes marquées d’une
croix.
cm
-1
1.2.2. Donner le nom de la réaction conduisant de A à B.
1.2.3. Sachant que B réduit la liqueur de Fehling, donner sa formule semi-développée et son nom
en nomenclature officielle.
1.2.4. Donner la formule semi développée de D.
1.2.5. Le composé C peut se trouver sous deux formes optiquement actives.
Indiquer pourquoi C présente cette particularité stéréochimique.
Représenter le stéréoisomère R en représentation de Cram ; justifier.
2. Polymérisation.
2.1. Sous une pression de 100 bar, à 200 °C, l’éthylène (éthène) donne un polymère E. Donner la formule
du motif élémentaire de E, son nom et une application industrielle de ce composé.
3/5
2.2. Dans les mêmes conditions, D donne un polymère F, élastomère dont le motif élémentaire est
–(CH2-CH=CH-CH2)-. F est un élastomère.
2.2.1. Définir le mot « élastomère ».
2.2.2. Sachant que le motif élémentaire est de configuration E, représenter l’enchaînement de trois
de ces motifs.
SYNTHÈSE D’UN COLORANT : LE JAUNE D’ALIZARINE
COOH
O 2N
NO 2
COOH
N
OH
N
OH
NH2
Jaune d’Alizarine
P
Q
1. Synthèse de P.
1.1. Donner le nom de P en nomenclature officielle.
1.2. On réalise la synthèse de P à partir du benzène par la suite de réactions ci-dessous :
-
(1) Nitration du benzène.
(2) Réduction par le dihydrogène.
(3) Acylation par l’anhydride acétique (ou éthanoïque).
(4) Nitration.
(5) Hydrolyse afin d’obtenir P
1.2.1. Donner, pour chaque étape de cette suite de réactions, les équations ainsi que les conditions
opératoires.
1.2.2. Indiquer le rôle des réactions (3) et (5) lors de cette synthèse.
2. Synthèse de Q.
2.1. Donner le nom de Q en nomenclature officielle.
2.2. Indiquer comment est réalisée industriellement la synthèse de Q à partir du phénol.
3. Synthèse du colorant.
Elle se fait en deux étapes :
- réaction du composé P avec l’acide nitreux donnant le composé R ;
- réaction du composé R avec le composé Q qui donne le Jaune d’Alizarine.
3.1. Donner les noms de chacune de ces réactions.
3.2. Écrire l’équation de la réaction conduisant de P à R ; préciser les conditions opératoires.
3.3. Écrire l’équation de la réaction conduisant de R au jaune d’Alizarine.
4/5
SPECTROSCOPIE INFRAROUGE.
Table des nombres d’onde des vibrations de valence et de déformation.
Liaison
Nature
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
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 (2 bandes)
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 tétraèdrique : 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
750-800 et 680-720
800-860
600-800
500-750
≈ 500
Ctri trigonal :
C
F
m
Variable ; 3 ou 4
bandes
F ou m
F
F ; 2 bandes
F
m
F
F
m
F ; 2 bandes
F
F et m ; 2 bandes
F
F
F
F
F:fort ; m:moyen : ; f: faible
Cdi digonal :
C
5/5