énoncé - Chimie

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LycéeJanson
deSailly
Annéescolaire
2015/2016
Devoir surveillé
de chimie n°4
ClassedePCSI7
Duréedel’épreuve:2heures
Usagedescalculatrices:autorisé
N.B.Uneprésentationsoignéeestexigée;lesréponsesdoiventêtrejustifiées(avecconcision)etles
principauxrésultatsdoiventêtreencadrés.
I)Letungstène
Document:Letungstène,unmétal«extrême»
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L’élément
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LetungstèneestunélémentchimiquedesymboleW(del’allemandWolfram)etdenuméroatomique
𝑍 = 74.Sonnomprovientdusuédois«tung»(lourd)et«sten»(pierre)etsignifiedonc«pierre
lourde».
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Ontrouveessentiellementdanslanaturequatreisotopesdutungstène,denombresdemasse𝐴 =
182,183,184et186.L’isotopeleplusabondantest *+,W(abondance:30,6%)etlemoinsabondant
est *+-W(abondance:14,3%).
Lamassemolairedutungstènenaturelvaut:𝑀 = 183,8g⋅mol7* .
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Lecorpssimple
C’estunmétalconnupoursespropriétésextrêmes.Ilaeneffet:
-lepointdufusionleplusélevédescorpssimplesconnus:𝑇9:; = 3422℃;
-lapressiondevapeursaturantelaplusfaible;
-unetrèsgrandedureté,notammentuneremarquablerésistanceàlatraction;
-unetrèsgrandedensité:𝑑 = 19,3;
-uneexcellenterésistanceàlacorrosion.Mêmechaufféàplusieurscentainesdedegrés,un
morceaudetungstènenes’oxydepasdansl’air.Ilestégalementinsensibleàl’oxydationparl’eauou
parunesolutiond’acidechlorhydrique.
Enrevanche,sousformedepoudre,letungstèneestpyrophorique,c’estàdiretrèsinflammable
(peuts’enflammerspontanémentdansl’air).
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Lesutilisations
Lecarburedetungstène,ousous-carburedetungstène,estprésentdanslesfilamentsd’ampoules
électriques,lestubescathodiquesetlesélectrodes(cellesdesfoursàarc).Lagranderésistancedu
tungstèneauxhautestempératuresenfaitégalementunélémentprisédansledomainespatial.Très
dense,ilentredanslacompositiond’alliages,notammentd’aciers,utilisésdansl’armementoupour
fabriquerdespoids.LesalliagesautungstènedatentdelafinduXIXesiècle.Lespiècesd’usuredans
lesoutilsàhautevitesseincorporentsouventdutungstène.Cetélémentestégalementemployé
commepigmentoucommecatalyseur,ouencorecommeingrédientsdanscertainssuperalliages.Les
outilsaucarburedetungstènedatentdesannées1920.
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Lesmineraisdetungstène
Danslanature,ontrouvedutungstènenotammentdanslawolframitequiestuntungstatedeferetde
manganèse,(FeWO, /MnWO, )etdanslascheelite(tungstatedecalcium,CaWO, ).
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Questions:
N.B.Lorsdelajustificationdevosréponses,vousindiquerezàquellelignedudocumentprécédentse
trouvechaqueinformationquevousutilisez.
Propriétésatomiques
Ons’intéressetoutd’abordàunatomedetungstèneisolé,danssonétatfondamental.
1)
Nommeretrappelerlarèglepermettantd’obtenirl’ordrederemplissagedesorbitales
atomiquespourobtenirlaconfigurationélectroniqued’unatome.Endéduirelaconfiguration
électroniquedutungstène.
2)
Combienunatomedetungstènepossède-t-ild’électronsdevalence?Lesquels?
3)
Combienunatomedetungstènepossède-t-ild’électronscélibataires?Justifierencitantlarègle
utilisée.
4)
Proposerunensembledequadrupletsdenombresquantiques 𝑛, ℓ, 𝑚ℓ , 𝑚; quepourraient
possédersimultanémentlesélectronscélibatairesd’unatomedetungstène(s’ilyaplusieurs
réponsespossibles,endonneruneseuleauchoix).
5)
Localiserl’élémenttungstènedansletableaupériodique:numérodepériode,numérode
colonne,enjustifiantavecprécision.
6)
Parmilesvaleurssuivantes,retrouverlaquellecorrespondàl’électronégativitédePaulingdu
tungstène:0,8;2,4;3,4;4,0.
7)
Donnerlacompositionisotopiquenaturellecomplètedes4isotopesprincipauxdutungstène
(compositiondunoyaudechaqueisotope,etabondancenaturelledechacun).
Lecorpssimple
8)
Rappelerlespropriétésprincipalesdesmétaux.Quellessontlespropriétésremarquablesdu
tungstènequiledistinguentparticulièrementdesautresmétaux?
9)
Rappelerladéfinitiond’unmétalnoble.Letungstènepeut-ilêtrequalifiédemétalnoble?
10)
Lapoudredetungstèneesthautementinflammable.Écrireuneéquationpourlaréactionquise
produitlorsquelapoudreprendfeudansl’air,sachantqu’ilapparaîtunefuméeblanchelorsde
cettecombustion.
11)
Lepremierélémentdelacolonnedutungstènedansletableaupériodiqueestlechrome,de
symboleCr.Endéduirelenuméroatomiqueduchrome.
Desélémentssituésdansunemêmecolonneontsouventdespropriétéschimiquessemblables.
Pourtant,letungstèneneréagitpasenprésenced’unesolutionaqueused’acidechlorhydrique
concentré,alorsqu’unmorceaudechromeplongédansunetellesolutiondisparaîtprogressivement,
avecapparitiond’unabondantdégagementgazeux.
12)
Écrirel’équationdelaréactionquiseproduitlorsducontactentrelechromeetunesolution
d’acidechlorhydrique.Commentpeut-oncaractérisersimplementlegazquisedégage?
Onrappellequ’unesolutiond’acidechlorhydriquepeutêtremodéliséecommeunesolutionaqueuse
contenantlesionsH J etCl7 .
13)
Commentpeut-onexpliquerladifférencederéactivitéentreletungstèneetlechromevis-à-vis
del’acidechlorhydrique?Est-ceuneraisonthermodynamique(différencedepouvoir
réducteur?..)ouuneraisoncinétique?..Discuter.
Lesmineraisdetungstène
LesnumérosatomiquesdesélémentscalciumCa,manganèseMnetferFesontrespectivement20,25
et26.
14)
Identifiertouslesionscontenusdanslawolframiteetlascheelite.
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15)
Commentpeut-onexpliquerqueCa,MnetFedonnentdesionsdemêmechargedansles
mineraisdetungstène?
II)Quelquesquestionssurleshalogènes
Lacolonnedeshalogènes
1)
Rappelerlenumérodelacolonnedeshalogènesdanslaclassificationpériodique.
2)
Onrappellequel’iodeestlequatrièmehalogène.Endéduiresonnuméroatomique.
3)
Quellesentitésmicroscopiquestrouve-t-ondanslescorpssimpleshalogènesetpourquoiles
atomess’associent-ilsainsi?
4)
Danslesconditionsusuellesdetempératureetdepression(à20℃sous1bar),ledifluoretle
dichloresontgazeux,ledibromeestliquideetlediiodeestsolide.Interprétercesdifférences,en
lienaveclapositiondesélémentsdanslacolonnedeshalogènes.
Moléculesinterhalogénées
Leshalogènespeuvents’associerentreeuxpourdonnerdescomposésmoléculairesinterhalogénés,
dontonétudieicideuxexemples:
Lepentafluorured’iodeestuncomposédeformuleIFM .C’estunliquidejaunepâledensepréparépour
lapremièrefoisparHenriMoissanen1891enfaisantbrûlerdel’iodesolidedansdudifluor.
5)
Écrirel’équationdelaréactiondecombustiondécouverteparHenriMoissan.Identifierle
combustibleetlecomburant.
6)
Cetteréactionpeut-elleêtrerigoureusementtotale,oubienest-ellequasi-totale?
7)
DéterminerlagéométriedelamoléculeIFM aumoyendelathéorieVSEPR.Dessinercette
molécule,indiquerlamesuredesanglesaussiprécisémentquepossible.
8)
LamoléculeIFM est-ellepolaire?Sioui,dessinerl’orientationdesonmomentdipolaire.
L’iontriiodure,deformuleI-7 estunionlinéaire,obtenutrèsfacilementparassociationdediiodeavec
l’ioniodureI 7 .
9)
InterpréterlagéométrielinéairedecetionaumoyendelathéorieVSEPR.
Partagedudiiodeentredeuxsolvants
Ondisposedetoutelaverreriecourantedulaboratoire,d’unspectrophotomètre,dediiode,de
cyclohexaneetd’unepissettecontenantduthiosulfatedesodiumNaO SO O- dissous.
Lesfichesdesécuritédudiiodeetducyclohexanesontfourniesàladernièrepagedeceténoncé.
10)
Représenterl’ionthiosulfateselonlaméthodedeLewis,sachantquelestroislongueursde
liaisonS − Osontégales.
11)
Quelestl’intérêtdedisposerd’unesolutiondethiosulfatedesodiumquandonmanipuledu
diiode?
12)
Donnerladéfinitiondelaconstantedepartage𝑃dudiiodeentrel’eauetlecyclohexane,sachant
quesavaleurestnettementsupérieureà1.
13)
Rédigerunprotocoleexpérimentaldétaillépermettantdemesurercetteconstantedepartage(y
comprislesrèglesdesécuritéàrespecteretlemoded’éliminationdesespèceschimiquesenfin
d’expérience).
14)
Ungroupedesixétudiantsmetenœuvreunprotocolededéterminationdelaconstantede
partagedudiiodeentrel’eauetlecyclohexane.Lesdifférentsrésultatsobtenussontles
suivants:88,6;93,2;95,1;91,6;87,9;94,0.Endéduirelavaleurdelaconstantedepartage,
assortiedesonincertitudeélargie,correspondantàunintervalledeconfiancede95%.
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Données:
;
-incertitude-typesurunemoyennede𝑛valeurs: S (où𝑠V estl’estimateurdel’écart-type);
T
-facteurd’élargissementdel’incertitude(coefficientdeStudent)pour6valeursavecunintervallede
confiancede95%:𝑓 = 2,4.
diiode
cyclohexane
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