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» 1 L’élément 2 3 4 LetungstèneestunélémentchimiquedesymboleW(del’allemandWolfram)etdenuméroatomique 𝑍 = 74.Sonnomprovientdusuédois«tung»(lourd)et«sten»(pierre)etsignifiedonc«pierre lourde». 5 6 7 8 Ontrouveessentiellementdanslanaturequatreisotopesdutungstène,denombresdemasse𝐴 = 182,183,184et186.L’isotopeleplusabondantest *+,W(abondance:30,6%)etlemoinsabondant est *+-W(abondance:14,3%). Lamassemolairedutungstènenaturelvaut:𝑀 = 183,8g⋅mol7* . 9 10 11 12 13 14 15 16 17 18 19 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). 20 21 22 23 24 25 26 27 28 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. 29 30 31 Lesmineraisdetungstène Danslanature,ontrouvedutungstènenotammentdanslawolframitequiestuntungstatedeferetde manganèse,(FeWO, /MnWO, )etdanslascheelite(tungstatedecalcium,CaWO, ). Page1sur4 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. Page2sur4 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%. Page3sur4 Données: ; -incertitude-typesurunemoyennede𝑛valeurs: S (où𝑠V estl’estimateurdel’écart-type); T -facteurd’élargissementdel’incertitude(coefficientdeStudent)pour6valeursavecunintervallede confiancede95%:𝑓 = 2,4. diiode cyclohexane Page4sur4