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ÉQUILIBRES ET RÉACTIVITÉ CHIMIQUES

2008-2009

EXAMEN PROPEDEUTIQUE 24 AOUT 2009 Section :

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Nom :

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SSERIE BA

Prénom : ________________________

Consignes importantes •

La durée globale de l'épreuve est de 3 h 00 min.

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Le recueil de feuilles de réponses doit être signé au bas de la page 12.

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On ne pourra quitter la salle d'examen qu'après avoir rendu définitivement sa copie et signé le registre d’épreuve.

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En dehors du matériel d'écriture normal et de feuilles de brouillon vierges, seul l'usage d'un formulaire de 2 côtés de page A4 au maximum et d'une calculatrice scientifique (sans aucun fichier alphanumérique stocké ni possibilité de communication) est autorisé. Un tableau périodique est fourni à la fin de la donnée de l'épreuve.

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Une pièce d'identité avec photographie, le formulaire et la calculatrice doivent être déposés sur le plan de travail et rester visibles pendant toute la durée de l'épreuve.

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Toutes les réponses seront inscrites à l'encre sur les pages suivantes, dans les cadres prévus à cet effet (au besoin, utiliser le verso de la feuille en indiquant clairement "voir verso" dans le cadre correspondant).

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Les réponses devront donner suffisamment d'indications pour que le correcteur puisse apprécier le raisonnement qui a permis de les obtenir.

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Les feuilles de brouillon ne seront pas récoltées à la fin de l'épreuve et ne pourront donc pas être prises en compte.

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Les résultats numériques devront être livrés avec leurs unités.

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Si au cours de l’épreuve, une erreur apparente d’énoncé devait être repérée, on le signalera par écrit sur la copie et poursuivra en expliquant les initiatives qu’on serait amené à prendre. Les surveillants ne répondront à aucune question relative à la donnée.

page 2

Problème 1 Un échantillon de 1,500 g d'un composé organique ne contenant que les éléments C, H, O a été brûlé complètement en présence d'air. Les seuls produits de la combustion sont 1,738 g de CO2 et 0,711 g de H2O. Quelle est la formule brute du composé ?

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Problème 2 L'oxyde de calcium CaO (aussi appelé chaux vive) peut être préparé à partir du carbonate de calcium CaCO3 (le calcaire) selon la réaction de décomposition : CaCO3 (s) ⇌ CaO (s) + CO2 (g) Données :

Composé CaCO3 (s) CO2 (g) CaO (s)

ΔGf° [kJ· mol–1] – 1127,8 – 394,2 – 603,6

(1) S° [ J· mol–1· K–1]

CP [ J· mol–1· K–1]

93,0 213,7 40,0

82,1 43,2 36,9

a) Calculer l'entropie standard de la réaction (1) à une température T = 298 K.

b) Calculer l'enthalpie libre standard de la réaction de décomposition de CaCO3 (1) à T = 298 K. La réaction est-elle spontanée ?

c)

On place du calcaire dans un récipient fermé dans lequel on a préalablement fait le vide. Quel est la pression de CO2 atteinte à l'équilibre à 298 K ?

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d) La réaction (1) est menée dans un milieu ouvert à pression constante et à une température de 700 °C. Les valeurs de ΔrG°, ΔrS° et ΔrH° ne sont pas indépendantes de la température. Quelle est la quantité de chaleur échangée avec l'environnement lors de la décomposition de 1 kg de calcaire à 700 °C ? La réaction est-elle endo- ou exothermique à cette température ? Justifier la réponse.

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Problème 3 Le produit de solubilité de l'hydroxyde de fer (II), Fe(OH)2 , en solution aqueuse est KS = 7,94‧10–16. a)

Ecrire l'équation chimique correspondant à la dissociation de Fe(OH)2 en solution.

b) Quelle masse d'hydroxyde de fer (II) sec peut-on dissoudre au maximum dans 200 ml d'eau pure ?

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c)

Quelle est la solubilité de Fe(OH)2 dans une solution tamponnée dont le pH est fixé à une valeur pH = 10,0 ?

Problème 4 On titre une solution aqueuse d'un acide carboxylique de concentration inconnue par une solution d'hydroxyde de sodium (NaOH). On trace le graphe pH = ƒ(V), où V [ml] représente le volume de la solution de NaOH ajouté.

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a)

La courbe de titrage indique-t-elle la présence d'un acide faible ou d'un acide fort ? Expliquer pourquoi en citant au moins un élément de preuve.

b) Trouver graphiquement la valeur du pKa de l'acide titré et identifier celui-ci parmi la liste suivante: -

c)

Acide formique (ou méthanoïque) Acide acétique (ou éthanoïque) Acide propanoïque Acide benzoïque

HCOOH CH3COOH C2H5COOH C6H5COOH

Ka = 1,7‧10–4 Ka = 1,8‧10–5 Ka = 1,4‧10–5 Ka = 6,3‧10–5

Etablir une liste des différentes espèces chimiques présentes dans la solution initiale d'acide (V = 0 ml). Le pH de cette solution étant égal à 2.6, donner la concentration molaire de chacune de ces espèces. En déduire la concentration molaire initiale c0 de la solution d'acide.

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d) A 150 ml de cette solution acide, on ajoute 75 ml d'une solution aqueuse de NaOH 10–1 M, Quel sera le pH de la solution obtenue ? Quelles propriétés possède cette solution ?

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Problème 5 On considère une pile électrochimique constituée de deux compartiments reliés par un pont électrolytique à une température de 25 °C. Le premier compartiment est constitué d'une électrode de platine plongeant dans une solution aqueuse contenant à la fois du sulfate ferreux, FeSO4 , et du sulfate ferrique, Fe2(SO4)3 , avec a(Fe2+) = 0,150 et a(Fe3+) = 0,855. Le second compartiment comporte une électrode à hydrogène, alimentée par de l'hydrogène gazeux à une pression p(H2) = 1 atm, et plongeant dans une solution de chlorure d'ammonium NH4Cl. La force électromotrice de la pile est de 1,124 V. Données : a)

E° (Fe3+/Fe2+) = 0,77 V / SHE , F = 96485 J‧V–1‧mol–1

En admettant que le platine ne s'oxyde pas, écrire les demi-réactions ayant lieu sur chacune des deux électrodes.

b) Quel est le potentiel de l'électrode à hydrogène ?

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c)

Quel est le pH de la solution de chlorure d'ammonium dans le second compartiment ?

d) Identifier la cathode et l'anode de la pile. Que se passe-t-il chimiquement dans les deux compartiments lorsque la pile se décharge ? Justifier vos réponses.

page 11

Problème 6 La décomposition d'un antibiotique (A) dans l'eau à 20 °C est une réaction caractérisée par une cinétique de premier ordre. Sa constante de vitesse est k = 1,65 an–1. a)

Pour une concentration initiale en antibiotique de 6‧10–3 mol‧l–1, calculer la concentration de A au bout de trois mois de conservation à 20 °C.

b) Après quel temps de conservation de la solution à 20 °C la concentration en antibiotique A ne sera-t-elle plus que de 10–3 mol‧l–1 ?

c)

L'énergie d'activation de la réaction de décomposition de A est de 86,3 kJ‧mol–1. Après quel temps de conservation de la solution à 40 °C la concentration en antibiotique ne sera-t-elle plus que de 10–3 mol‧l–1 ?

page 12

Fin de l'épreuve

Signature de l'étudiant(e) : ________________________________________

page 13