Devoir Surveillé Epreuve de CHIMIE - SVT104

Devoir Surveillé
Epreuve de CHIMIE - SVT104
Séries 1A, 1B & 1C
Samedi 25 Octobre 2008 (10h30-12h)
Documents non autorisés
Les différents exercices sont indépendants
Lire attentivement l’intégralité du sujet avant de commencer à répondre
Exercice 1 (30 points)
O
O
H3C
C
+2
CH3
H
H
C
C
C
C
C
O
H
C
C
H
H
H
Acétone
Benzaldéhyde
H
H
H
C
C
C
C
HC
C
C
C
CH
CH HC
H
H
C
C
H
H
C
C
C
C
H
+ 2 H2O
H
H
Dibenzalacétone
On fait réagir par une réaction d’aldolisation 0,030 mole d’acétone et 0,058 mole de
benzaldéhyde en présence de soude. On obtient 10,63 g de dibenzalacétone brute qui est
récupérée par filtration sous vide.
On décide ensuite de recristalliser 4 g de produit brut pour obtenir 1,76 g de dibenzalacétone
pure.
1) Quelles sont les masses de réactifs (acétone et benzaldéhyde) mises en jeu dans la
réaction ?
Dibenzalacétone
Acétone
Benzaldéhyde
brute
Masse Molaire (3x12)+(6x1)+16 (7x12)+(6x1)+16 (17x12)+(14x1)+16
(en g.mol-1)
= 58
= 106
= 234
n moles
0,030
0,058
0,0454
Masse (en g)
10,63
1,74
6,148
(2 points / réponse soient 12 points)
2) Faire un schéma du montage utilisé dans une filtration sous vide.
Fritté (2 points), fiole à vide (2 points), pompe (1 point).
3) Calculer le rendement brut de la réaction.
Réactif en défaut : benzaldéhyde (1 point)
Nombre de mole théorique de dibenzalacétone = 0,058/2 = 0,029 mole (2 points)
Nombre de mole obtenues = 0,0454 (cf. tableau quest. 1)
n
0, 0454
Rdtbrut = exp ×100 =
×100 = 156, 6% (2 points)
nthéo
0, 029
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4) Quel est le rôle de la recristallisation ?
Purification du produit. (2 points)
Le produit pur est à l’état solide, les impuretés restent en solution. Une filtration permet de
récupérer le produit pur. (2 points)
5) Calculer le rendement global de la réaction d’aldolisation.
Par recristallisation on obtient 1,74g de dibenzalacétone pure à partir de 4g de produit
brut ; donc à partir de 10,63g on obtiendra 4,624g, soit 0,020 mole.
0, 020
Rdt global =
×100 = 68% (4 points)
0, 029
Données :
On rappelle les masses molaires atomiques suivantes :
H : 1 g.mol-1 ; C : 12 g.mol-1 ; O : 16 g.mol-1.
Exercice 2 (18 points)
Parmi les configurations électroniques suivantes, indiquez celles qui sont impossibles et celles
qui correspondent à l’état fondamental d’un atome poly-électronique. Justifier.
a) 1s2 2s2 2p6
d) 1s2 2s2 2p6 3s2 3p6 3d5
b) 1s2 2p5 3s2
e) 1s2 2s2 2p7
c) 1s2 2s2 2p5
f) 1s2 2s2 2p6 3s2 3p6 3d12 4s2
(3 points / réponse soient 18 points)
Exercice 3 (65 points)
On considère l’acide perchlorique HOClO3 ; où Cl est l’atome central.
1) Donner le nom de l’élément Cl et préciser sa famille chimique.
Atome de Chlore (3 points), famille des halogènes (2 points).
2) A l’aide des cases quantiques donner une représentation de Lewis de l’acide perchlorique.
H
O
1s
2s
2p
Cl*
3s
3p
3d
O
2s
2p
O
2s
2p
O
2s
2p
Rouge : liaison σ ; vert : liaison π
Configuration de la couche de valence : H & O (2x3 points); Cl* (5 points)
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2/5
O
O
Cl
O
O
ou
3+
Cl
O
O
H
O
O
H
(10 points)
La seconde structure, bien que possible suivant l’écriture de Lewis est peu probable compte
des électronégativités des atomes de Chlore et d’Oxygène ; 3,16 et 3,4 respectivement.
3) Préciser le nombre de doublets d’électrons liants (σ et π) et non liants.
5 liaisons σ (4 points)
3 liaisons π (4 points)
8 doublets non-liants (4 points)
4) Indiquer le formalisme de Gillespie, la géométrie de cette molécule ainsi que la valeur des
angles de liaison.
AX4, (5 points)
géométrie tétraédrique, (5 points)
angle de 109°28’ (5 points)
5) Quel est le degré d’oxydation de l’atome Cl dans l’acide perchlorique ?
DO (H) = +I ; DO (O) = -II (1 points / réponse soient 2 points)
HClO4 neutre ; DO = 0 = DO (H) + DO (Cl) +4xDO (O) (2 points)
D’où DO (Cl) = +VII (2 points)
6) La molécule HFO4 existe-t-elle ? Justifier brièvement votre réponse.
NON. Contrairement à HClO4 où l’on peut amener les électrons a un état excité dans une
autre sous-couche ; dans le cas de HFO4 (couche de valence n=2) il n’existe pas de souscouche 2d pour y placer les électrons. Il faudrait les amener au niveau n=3 ce qui est interdit.
(6 points). L’écriture faisant apparaître une charge négative sur chacun des atomes d’oxygène,
sauf celui lié à l’hydrogène, et 3 charges positives sur l’atome de fluor est impossible car ce
dernier est l’atome le plus électronégatif.
Données :
χ=2,1 ;
1H
8O
χ=3,5 ;
9F
χ=4,0 ;
17Cl
χ=3,0
Exercice 4 (60 points)
La nébuleuse d’Orion est un nuage de gaz interstellaire constitué pour l’essentiel d’atomes
d’hydrogène. Au cœur de cette nébuleuse, quatre étoiles émettent un rayonnement de
longueur d’onde λ=9,507.10-8 m.
1) Quelle est la fréquence du rayonnement émis par les étoiles ?
c
2,9979.108
ν = (5 points) d’où ν =
soit ν = 3,153.1015 Hz (5 points)
λ
9,507.10−8
2) Quelle est l’énergie (en Joules et en eV) d’un photon de ce rayonnement ?
E = 2, 089.10−18 J
(2x5 points)
E = hν (5 points) d’où E = 6, 6261.10−34 × 3,153.1015 soit
E = 13, 04eV
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Une partie du rayonnement émis est absorbée par l’hydrogène constitutif de la nébuleuse.
3) Rappeler la définition de l’état fondamental.
L’état fondamental est l’état pour lequel l’état du système est le plus stable. Dans le cas de
l’atome d’hydrogène (et des ions hydrogénoïdes) cet état est obtenu lorsque l’électron
occupe le niveau d’énergie n=1. (7 points)
4) Quelle est la relation associant l’énergie d’un électron au sein de l’atome d’hydrogène et
le nombre quantique principal n ?
13, 6
E = − 2 eV (7 points)
n
5) Quelle relation permet de relier l’énergie émise ou absorbée lors de la transition entre
deux niveaux d’énergie ?
L’énergie du photon émis/absorbé correspond à la différence entre les niveaux d’énergie à
l’état initial et final.
1
1
∆E = −13, 6( 2 − 2 )eV (7 points)
nf
ni
6) Lorsqu’un atome d’hydrogène à l’état fondamental au sein de la nébuleuse d’Orion
absorbe un photon émis par les étoiles, quelle transition électronique est observée ?
Etat initial ni=1, état final nf= ?
−13, 6
D’après la relation de la question5 ; n f =
(7 points)
13, 6
∆E − 2
ni
A.N. n f =
−13, 6
soit n f = 5 (7 points)
13, 6
13, 04 − 2
1
Données :
h = 6,6261.10-34 J.s ; RH = 1,0974.107 m-1 ; c = 2,9979.108 m.s-1 ; 1 cal = 4,184 J ;
1 eV =1,602.10-19 J ; 1D = 3,335.10-30 C.m ; NA = 6,0221.1023
Exercice 5 (27 points)
On donne ci-dessous les atomes suivants : (1 point / réponse soient 21 points)
Atome
Lithium
Béryllium
Bore
Carbone
Azote
Oxygène
Fluor
Symbole
Li
Be
B
C
N
O
F
Z
3
4
5
6
7
8
9
r (en Å)
1,34
1,25
0,90
0,77
0,75
0,73
0,71
1) Préciser le nom ou le symbole correspondant pour chacun d’entre eux.
Cf. tableau
2) Quel est le numéro atomique correspondant à chacun d’entre eux.
Cf. tableau
3) On donne les rayons atomiques suivants (en Å). Complétez le tableau avec les valeurs
correspondantes des rayons. Justifier.
r = 1,34 ; 0,71 ; 0,77 ; 1,25 ; 0,90 ; 0,73 ; 0,75.
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Au sein d’une période le rayon atomique décroît. Les électrons de valence occupent la
même couche alors que la charge du noyau augmente au cours de la période ce qui a pour
effet de diminuer le rayon atomique. (2 points)
4) Définir l’énergie d’ionisation. Comment varie celle-ci de Li à F ? Justifier.
Energie nécessaire pour à un élément pour lui arracher un électron : EI : A A+ + e(2 points).
L’EI augmente au sein d’une période, car plus l’énergie à fournir pour obtenir la
configuration électronique du gaz rare qui précède est importante (2 points).
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