Sujet de bac chimie FR 2007 - Ecole Européenne de Strasbourg

BACCALAURÉAT EUROPÉEN 2007
CHIMIE
DATE : 14 Juin 2007 (matin)
DURÉE DE L'EXAMEN :
3 heures (180 minutes).
MATÉRIEL AUTORISÉ :
Calculatrice non graphique et non programmable.
REMARQUES :
 Choisir deux questions A et deux questions B.
 Indiquer les 4 questions choisies en marquant d’une croix les cases
appropriées sur le formulaire fourni.
 Utiliser des feuilles d’examen différentes pour chaque question.
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Question A1
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Barème
a)
L’acide phosphorique, H3PO4, est un triacide (acide triprotique).
L’équation correspondant à la première dissociation ionique de cet acide
en solution aqueuse est :
H3PO4(aq) + H2O(l) ⇌ H2PO4ˉ(aq) + H3O+(aq)
i.
ii.
Exprimer la constante de dissociation ionique (constante
d’acidité), Ka, correspondant à cette réaction.
1 point
Identifier les couples acide-base conjugués impliqués dans cette
réaction et indiquer les espèces qui jouent le rôle de bases.
2 points
b) Quand on dissout de l’acide propanoïque dans l’eau, l’équilibre suivant
s’établit :
CH3CH2COOH(aq) + H2O(l) ⇌ CH3CH2COOˉ(aq) + H3O+(aq)
On donne :
Ka de l’acide propanoïque : 1,35 x 10-5 à 25 °C
Ka de l’acide éthanoïque : 1,74 x 10-5 à 25 °C
i.
ii.
c)
Calculer le pH d’une solution d’acide propanoïque,
CH3CH2COOH(aq), 1,00 x 10-1 mol dm-3 (mol L-1) à 25 °C.
2 points
De ces deux acides, l’acide propanoïque et l’acide éthanoïque,
quel est l’acide le plus fort? Expliquer la réponse.
2 points
À 25 °C, on ajoute progressivement une solution 1,00 x 10-1 mol dm-3
(mol L-1) d’acide éthanoïque, CH3COOH(aq), à 20,0 cm3 (mL) d’une
solution aqueuse d’hydroxyde de potassium, KOH(aq),
1,00 x 10-1 mol dm-3 (mol L-1).
i.
Écrire l’équation de la réaction qui se produit.
1 point
ii.
Calculer le pH de la solution d’hydroxyde de potassium avant
l’addition de la solution d’acide éthanoïque.
1 point
Calculer le pH de la solution obtenue après l’addition de 10,0 cm 3
(mL) de la solution d’acide éthanoïque.
3 points
Calculer le pH de la solution obtenue après l’addition de 20,0 cm 3
(mL) de la solution d’acide éthanoïque.
4 points
iii.
iv.
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Question A1
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Barème
v.
d)
i.
ii.
iii.
Sans opérer de calculs, esquisser un graphique pour montrer la
variation du pH au cours de l’addition de 25,0 cm 3 (mL) de la
solution d’acide éthanoïque à la solution d’hydroxyde de
potassium.
2 points
Décrire de quelle manière on peut préparer une solution tampon
dont le pH soit inférieur à 7,0. Donner un exemple.
2 points
À 37 °C, le sang des mammifères a un pH de 7,4. Cette valeur est
maintenue constante par une solution tampon qui contient, entre
autres substances, de l’acide carbonique, H2CO3(aq), et l’ion
hydrogénocarbonate, HCO3ˉ(aq). Expliquer comment ce tampon
fonctionne et formuler les deux équations appropriées.
3 points
Calculer la valeur du rapport des concentrations en HCO3ˉ(aq) et
en H2CO3(aq) qui permet de maintenir le pH à cette valeur.
2 points
On donne :
pKa1 de l’acide carbonique : 6,10 à 37 °C.
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Question A2
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Barème
a)
Les gisements de pétrole brut renferment aussi du méthane. Quand le
pétrole est extrait, le méthane est libéré dans l’atmosphère et contribue à
l’effet de serre. Pour éviter cet inconvénient, le méthane peut être
recueilli et transformé en méthanol, CH3OH.
Le méthanol est utilisé, entre autres, dans les piles électrochimiques.
Ces piles produisent de l’électricité par oxydation du méthanol en ions
carbonate par le peroxyde d’hydrogène en solution aqueuse, H2O2(aq).
i.
ii.
iii.
iv.
Le méthane peut être oxydé en méthanol par l’oxygène. Écrire
l’équation traduisant cette réaction, en considérant qu’elle se
produit en une seule étape.
2 points
Écrire les demi-équations d’oxydation et de réduction qui se
produisent à chacune des électrodes dans une telle pile.
2 points
Écrire l’équation-bilan de la réaction rédox qui actionne cette pile
et calculer la f.e.m. produite.
2 points
Reproduire le schéma de la pile ci-dessous sur la copie d’examen
et indiquer sur ce schéma les électrodes positive et négative, ainsi
que le sens de déplacement des électrons dans le circuit
extérieur.
3 points
V
Pt
Pt
H2O2(aq)
CH3OH(aq)
v.
Expliquer la fonction du pont salin dans la pile ci-dessus.
1 point
vi.
Calculer la masse de méthanol consommé lorsqu’un courant de
1,00 x 10-1 A circule dans le circuit extérieur pendant 10,0 heures.
3 points
On donne :
Masses molaires atomiques (g mol-1) : H : 1,01 C : 12,0
Constante de Faraday : 9,65 x 104 C mol-1
Les potentiels standard d’électrode des couples suivants :
Couples concernés
Eo / V
CO32-(aq) / CH3OH(aq)
+ 0,18
H2O2(aq) / H2O(l)
+ 1,78
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O : 16,0
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Question A2
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Barème
b) Expliquer les propositions suivantes. Inclure dans la réponse les
équations chimiques des réactions qui interviennent.
i.
ii.
iii.
iv.
Quand on agite du plomb et de l’étain métalliques finement divisés
dans une solution aqueuse contenant simultanément des ions
plomb (II), Pb2+(aq), et des ions étain (II), Sn2+(aq), à la même
concentration, soit 1,00 mol dm-3 (mol L-1) , on constate que la
concentration en ions plomb (II) diminue légèrement, tandis que la
concentration en ions étain (II) augmente d’une quantité
équivalente.
2 points
Cu+(aq),
En solution aqueuse, les ions cuivre (I),
réagissent
spontanément pour former des ions cuivre (II), Cu2+(aq), et du
cuivre métallique, Cu(s).
3 points
Lorsque des titrages rédox sont réalisés avec du dichromate de
potassium, K2Cr2O7(aq), la solution est acidifiée. Alors qu’en vertu
des potentiels standard d’électrode, l’acide chlorhydrique pourrait
convenir à cette fin, en pratique, il vaut mieux ne pas l’utiliser.
4 points
À température ambiante, le cuivre réagit avec l’acide nitrique
concentré.
3 points
On donne :
Les potentiels standard d’électrode des couples suivants :
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Question A3
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Barème
a)
NH3
N2H4
N2O4
NH4ClO4
NaClO
Reproduire les formules ci-dessus sur la copie d’examen et déterminer le
nombre d’oxydation de l’élément souligné dans chacun des composés.
5 points
b) Le mélange d’un produit de nettoyage pour les vitres et d’eau de Javel
n’est pas recommandé. En effet, l’ammoniac, NH3(aq), présent dans le
produit de nettoyage pour les vitres et les ions hypochlorite, ClO-(aq),
présents dans l’eau de Javel réagissent et donnent lieu à la formation
d’hydrazine, N2H4(aq), une substance toxique.
i.
ii.
iii.
iv.
Écrire l’équation de la réaction entre l’ammoniac et les ions
hypochlorite.
2 points
Identifier l’espèce chimique qui est oxydée et celle qui joue le rôle
d’agent oxydant au cours de cette réaction.
2 points
Une solution aqueuse d’ammoniac a été utilisée comme agent
réducteur de métaux. En utilisant la table des potentiels standard
rédox ci-dessous, prédire si les ions suivants pourraient être
réduits à l’état métallique par l’ammoniac. Expliquer la réponse.
Fe2+(aq) Sn2+(aq) Cu2+(aq) Ag+(aq)
2 points
Le perchlorate d’ammonium, NH4ClO4, est utilisé par l’Agence
Spatiale Européenne (ESA) pour propulser des fusées.
Des traces de perchlorate ont été détectées dans des échantillons
d’eau et ont été mises en rapport avec le développement de
cancers de la thyroïde.
Des études récentes ont montré qu’à 25 °C, la réduction des ions
perchlorate en solution, ClO4ˉ(aq), en ions chlorure, Clˉ(aq), non
toxiques, pouvait être réalisée par de fines particules de fer
métallique. Au cours de ce processus, les particules de fer sont
oxydées en ions de fer (II), Fe2+(aq).
Écrire l’équation de la réduction des ions perchlorate par le fer en
milieu acide.
On donne : Les potentiels standard d’électrode des couples suivants :
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2 points
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Question A3
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Barème
c)
Le volume de l’estomac d’un adulte est d’environ 50,0 cm 3 (mL) lorsqu’il
est vide et d’environ 1,00 dm3 (L) lorsqu’il est rempli.
i.
ii.
Calculer la quantité (en mol) d’ions hydrogène, H+(aq), présents
dans un estomac ayant un volume de 400 cm3 (mL) et dont le
contenu a un pH de 2,00.
2 points
Calculer la masse de l’antiacide hydrogénocarbonate de sodium,
NaHCO3(s), qui réagirait complètement avec tout l’acide contenu
dans cet estomac.
2 points
On donne :
Masses molaires atomiques (g mol-1) :
H : 1,01
C : 12,0
O : 16,0
Na : 23,0
d) En solution aqueuse, l’acide azothydrique (ou acide hydrazoïque),
HN3(aq), se comporte comme un acide faible. Sa constante d’acidité, Ka,
vaut 2,80 x 10-5 à 25 °C.
On prépare 300 cm3 (mL) d’une solution de cet acide à la concentration
de 5,00 x 10-2 mol dm-3 (mol L-1).
i.
Écrire l’équation de la dissociation ionique de l’acide azothydrique
dans l’eau.
1 point
ii.
Calculer le pH, à 25 °C, de cette solution d’acide azothydrique.
2 points
iii.
À 150 cm3 (mL) de cette solution, on ajoute 0,800 g d’azoture de
sodium, NaN3(s). Le sel se dissout complètement. Calculer le pH,
à 25 °C, de la solution obtenue, en supposant que le volume de la
solution est inchangé.
3 points
Aux 150 cm3 (mL) restants de la solution initiale d’acide
azothydrique, on ajoute 75,0 cm3 (mL) d’une solution d’hydroxyde
de sodium, NaOH(aq), 1,00 x 10-1 mol dm-3 (mol L-1). À 25 °C, la
solution obtenue a un pH supérieur à 7. Expliquer cette
observation à l’aide des équations appropriées.
2 points
iv.
On donne :
Masses molaires atomiques (g mol-1) : N : 14,0
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Na : 23,0
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Question B1
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Barème
a)
Un composé CxHyO contient, en masse, 62,1 % de carbone, 10,3 %
d’hydrogène et 27,6 % d’oxygène. Sa molécule comporte un groupement
carbonyle et il donne lieu à la formation d’un précipité rouge brique en
présence du réactif de Fehling.
Déterminer :
i.
La formule empirique (formule brute) de ce composé.
2 points
ii.
Sa masse molaire moléculaire.
2 points
iii.
Sa formule de structure et son nom conventionnel (IUPAC).
2 points
On donne :
Masses molaires atomiques (g mol-1) : H : 1,01
C : 12,0
O : 16,0
b) Cinq flacons contiennent chacun une substance inconnue différente. Ces
substances sont désignées par A, B, C, D et E.
On sait que :

chacune de ces substances est un corps pur dont les molécules
contiennent trois atomes de carbone, de l’hydrogène et un ou deux
atomes d’oxygène ;

la chaîne carbonée ne comporte que des liaisons simples entre les
atomes de carbone ;

deux de ces substances sont des alcools.
i.
ii.
iii.
Quand les composés A et B sont oxydés par le dichromate de
potassium, K2Cr2O7(aq), en solution acide, on constate que :
- A est transformé en C et en D ;
- B est transformé uniquement en E.
Quelles substances ces informations permettent-elles d’identifier ?
Expliquer la réponse.
4 points
Pour obtenir des informations supplémentaires, on fait réagir C et
D avec du nitrate d’argent, AgNO3(aq), en solution basique. Seule
la réaction opérée avec C donne lieu à la formation d’un dépôt
d’argent métallique.
Expliquer ce résultat et formuler les demi-équations et l’équationbilan de cette réaction.
4 points
Représenter les formules de structure de C et de D.
2 points
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BACCALAURÉAT EUROPÉEN 2007: CHIMIE
Question B1
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Barème
c)
Le butan-2-ol (formule moléculaire C4H10O) peut être oxydé par les ions
manganate (VII), MnO4ˉ(aq), en solution acide.
i.
Écrire l’équation complète de la réaction du butan-2-ol avec les
ions manganate (VII) en solution acide.
3 points
ii.
Donner le nom conventionnel (IUPAC) du produit organique
obtenu.
iii.
Calculer le volume minimal d’une solution d’ions manganate (VII)
4,00 x 10-1 mol dm-3 (mol L-1) nécessaire pour oxyder 10,0 cm3
(mL) de butan-2-ol.
3 points
Écrire l’équation de la combustion complète du butan-2-ol.
2 points
iv.
On donne : Masse volumique du butan-2-ol : 808 kg m-3.
Masses molaires atomiques (g mol-1) : H : 1,01
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C : 12,0
O : 16,0.
1 point
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Question B2
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Barème
a)
On considère les composés suivants :
A: CH3 – NH2
C: NH3
B: CH3 – CH2 – NH2
D: NH2OH
i.
Donner les noms conventionnels (IUPC) des composés A et B.
2 points
ii.
Expliquer, au niveau moléculaire, pourquoi ces quatre composés
sont tous des bases.
1 point
iii.
Attribuer le pKb qui convient à chacune de ces bases et expliquer
le choix.
1) pKb : 3,20
2) pKb : 3,36
3) pKb : 4,76
4) pKb : 7,97
4 points
b) L’ammoniac est utilisé pour préparer le 1,6-diaminohexane, lequel réagit
avec l’acide hexanedioïque pour former un polymère.
H2N – CH2 – CH2 – CH2 – CH2 – CH2 – CH2 – NH2
1,6-diaminohexane
HOOC – CH2 – CH2 – CH2 – CH2 – COOH
acide hexanedioïque
c)
i.
Préciser le type de réaction de polymérisation dont il s’agit.
1 point
ii.
Nommer le polymère formé.
1 point
iii.
Représenter la formule de structure du motif (unité structurale) de
ce polymère.
2 points
La lysine est un acide aminé essentiel. Elle est nécessaire à la
croissance et à l’ossification chez l’enfant.
La formule de structure de la lysine est la suivante :
i.
Donner le nom conventionnel (IUPAC) de la lysine.
1 point
ii.
Expliquer pourquoi les acides aminés tels que la lysine ont une
température de fusion relativement élevée.
1 point
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Question B2
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Barème
iii.
iv.
Écrire les formules des espèces organiques prédominantes
lorsque la lysine est dissoute dans :
1) une solution fortement acide ;
2) une solution fortement basique ;
3) une solution dont le pH est voisin du pH isoélectrique de la
lysine.
La lysine peut se dimériser. Écrire les formules de structure de
deux dimères différents de lysine.
3 points
2 points
d) Jusqu’en 1938, le 4-diméthylaminoazobenzène a été utilisé pour colorer
le beurre. Ce colorant, appelé « jaune de beurre » n’est plus autorisé
actuellement comme colorant alimentaire, car il est cancérigène.
Structure du 4-diméthylaminoazobenzène
i.
Expliquer, au niveau moléculaire, pourquoi le 4diméthylaminoazobenzène est coloré.
ii.
Sur la base de la structure du 4-diméthylaminoazobenzène,
déterminer les formules de structure des deux réactifs organiques
nécessaires à sa synthèse.
2 points
Sur la base de la formule de structure fournie ci-dessous,
expliquer pourquoi le 4-diméthylaminoazobenzène a été utilisé
pour colorer le beurre mais pas pour colorer les fibres textiles
contenant de la cellulose, comme le coton.
2 points
iii.
Structure d’un fragment d’une molécule de cellulose
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3 points
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Question B3
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Barème
a)
La butyrine est un triester présent dans le beurre. Ce composé résulte de
la réaction entre l’acide butanoïque et le propane-1,2,3-triol (glycérol).
On donne :
Masses molaires moléculaires (g mol-1) :
glycérol : 92,1
acide butanoïque : 88,1
butyrine : 302
i.
ii.
iii.
Écrire l’équation de la réaction en utilisant des formules de
structure simplifiées.
2 points
On a fait réagir 39,6 g d’acide butanoïque avec 1,98 x 10 -1 moles
de glycérol. Dans les conditions de la réaction, on a obtenu 29,9 g
du triester. Calculer le rendement (en %) de la réaction.
5 points
Parmi ceux qui sont proposés ci-dessous, quel montage
expérimental (1), (2) ou (3 ) conviendrait le mieux pour réaliser
cette synthèse. Expliquer la réponse et donner les raisons pour
lesquelles les deux autres montages seraient rejetés.
3 points
(1)
(2)
(3)
b) La palmitine est le triester obtenu par la réaction entre l’acide
hexadécanoïque (acide palmitique), C15H31COOH, et le propane-1,2,3triol (glycérol). Elle réagit avec l’hydroxyde de potassium, KOH(aq), pour
former un savon.
i.
ii.
Nommer la réaction qui conduit à la formation de ce savon et
formuler l’équation de la réaction.
3 points
Calculer la masse de savon obtenue par la réaction de 20,0 g de
palmitine avec un excès d’hydroxyde de potassium, sachant que
le rendement de la réaction est de 85 %.
3 points
On donne :
Masses molaires atomiques (g mol-1) :
H : 1,01
C : 12,0
O : 16 ,0
K : 39,1
-1
Masse molaire moléculaire (g mol ) : palmitine : 807
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Question B3
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Barème
c)
Le mannitol (hexane-1,2,3,4,5,6-hexol) est utilisé pour enrober la gomme
à mâcher (chewing gum). Sa valeur calorique vaut la moitié de celle du
sucre ordinaire.
i.
Écrire la formule de structure simplifiée du mannitol.
1 point
Le mannitol est obtenu par hydrogénation catalytique du mannose
(2,3,4,5,6-pentahydroxyhexanal).
Écrire l’équation de cette réaction en utilisant des formules de
structure simplifiées.
2 points
iii.
Expliquer pourquoi le mannitol n’est pas classé comme un sucre.
1 point
iv.
Écrire l’équation pondérée (équilibrée) de la réaction du mannose
avec la solution de Fehling.
3 points
Le sédoheptulose, dont la formule figure ci-dessous, possède une
structure similaire à celle du fructose, mais compte un atome de
carbone en plus. Peut-on s’attendre à ce que le sédoheptulose
donne lieu à une réaction positive avec la solution de Fehling ?
Expliquer la réponse.
2 points
ii.
v.
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