Concours Puissance 11 chimie mai 2014

Merci !

Annales corrigées
Classe(s) : Tle S | Thème(s) : Concours Puissance 11
Type : Exercice | Année : 2014 | Académie : Inédit
 
Unit 1 - | Corpus Sujets - 1 Sujet
 
Concours Puissance 11 chimie
 
 

Concours Puissance 11 • Chimie

pchT_1405_00_01C

Onglet

58

CORRIGE

 

Banque d’épreuves FESIC • Mai 2014

Épreuve de chimie

Instructions aux candidats

L’usage de la calculatrice est interdit ainsi que tout document ou formulaire.

L’épreuve comporte 16 exercices indépendants. Vous ne devez en traiter que 12 maximum. Si vous en traitez davantage, seuls les 12 premiers seront corrigés.

Un exercice comporte 4 affirmations repérées par les lettres a, b, c, d. Vous devez indiquer pour chacune d’elles si elle est vraie (V) ou fausse (F).

Un exercice est considéré comme traité dès qu’une réponse à une des 4 affirmations est donnée (l’abstention et l’annulation ne sont pas considérées comme réponse).

Toute réponse exacte rapporte un point.

Toute réponse inexacte entraîne le retrait d’un point.

L’annulation d’une réponse ou l’abstention n’est pas prise en compte, c’est-à-dire ne rapporte ni ne retire aucun point.

Une bonification d’un point est ajoutée chaque fois qu’un exercice est traité correctement en entier (c’est-à-dire lorsque les réponses aux 4 affirmations sont exactes).

L’attention des candidats est attirée sur le fait que, dans le type d’exercices proposés, une lecture attentive des énoncés est absolument nécessaire, le vocabulaire employé et les questions posées étant précis.

Dans cet Annabac, nous vous proposons une sélection de 12 exercices.

Exercice 2

On a réalisé les spectres RMN et IR de deux composés oxygénés A et B, dont l’un a pour formule brute C3H6O.


 

 

Donnée : Aperçu des nombres d’onde d’absorption pour les molécules organiques.


 

a) La molécule A est un alcool.

b) Dans la molécule A, il y a un seul groupe de protons équivalents.

c) Dans la molécule B, le pronom responsable du signal à 9,8 ppm n’a pas de protons voisins.

d) La molécule B est la propanone.

Exercice 3

La tartre est essentiellement constitué d’un dépôt solide de carbonate de calcium de formule CaCO3(s).

Lors du détartrage d’une cafetière, l’acide lactique (C3H6O3) contenu dans le détartrant réagit sur le tartre qui s’est formé dans la cafetière suivant la réaction d’équation :

.

La quantité de matière de dioxyde de carbone, CO2 (g) formé, est mesurée au cours du temps. L’évolution de cette quantité de matière n en fonction du temps est représentée ci-dessous.


 

Données

  • Le tartre est le réactif limitant.
  • La masse molaire moléculaire de CaCO3 est : M= 100 g∙mol–1.

a) À l’état initial, la masse de tartre dans la cafetière est de 200 mg.

b) La durée de détartrage est estimée à environ 6 min.

c) Le temps de demi-réaction est de 3 min.

d) Une augmentation de la concentration molaire en acide lactique diminue le temps de demi-réaction.

Exercice 4

On dispose d’une solution de paracétamol de concentration molaire c égale à 5,0 × 10–4 mol∙L–1. On réalise, à une longueur d’onde λ1, le spectre UV-visible de cette solution, dans une cuve de longueur ℓ = 1,0 cm, représenté ci-dessous.


 

On effectue la synthèse du paracétamol à partir du 4-aminophénol. Une fois l’opération terminée, le spectre IR du produit obtenu est réalisé et proposé ci-dessous.


 

Données

  • Table IR
 

Liaison

σ(cm–1)

3 200 à 3 650

3 100 à 3 500

3 000 à 3 100

2 800 à 3 000

1 650 à 1 750

Liaison

σ(cm–1)

1 620 à 1 690

1 415 à 1 470

1 000 à 1 250

1 050 à 1 450

 

• 4-aminophénol


 

a) Le paracétamol possède le groupe amide.

b) La longueur d’onde correspondant à un nombre d’onde de valeur 1 000 cm–1 est égale à 10 nm.

c) Le coefficient d’absorption molaire du paracétamol, pour λ1= 250 nm, vaut ε = 2,0 × 103 L∙mol–1·cm–1.

d) La synthèse du paracétamol est réussie.

Exercice 5

La L-alanine est l’un des 22 acides aminés codés génétiquement. Elle est hydrophobe et est le deuxième plus petit acide aminé parmi les 22, derrière la glycine. L’alanine est un acide aminé non essentiel et a été isolée dès 1879. La dénomination IUPAC est acide 2-aminopropanoïque ou acide α-aminopropionique.

On trouve également dans la nature l’énantiomère D-alanine, qui participe en particulier à la construction du peptidoglycane, le constituant principal de la paroi des bactéries. La D-alanine est formée à partir de L-alanine par l’action d’une isomérase, l’alanine racémase.

D’après Wikipédia

a) La L-alanine contient un groupement acide et un groupement amide.

b) La L-alanine a pour formule topologique :


 

c) La L-alanine possède un carbone asymétrique.

d) La masse molaire moléculaire de la L-alanine est égale à 89 g∙mol–1.

Exercice 7


 

La menthone est un constituants de certaines espèces de menthe, dont la menthe poivrée Mentha piperita. Son odeur et sa saveur fraîche, analogues à celles de la menthe, en font un arôme très utilisé dans les produits alimentaires.

La menthone est obtenue par oxydation du menthol en milieu acide. Cette oxydation est réalisée par l’ion permanganate .

L’équation associée a cette réaction est :

On se propose d’oxyder 15,6 g de menthol. Pour cela, on utilise un volume V= 100 mL de solution de permanganate de potassium de concentration molaire c= 0,800 mol·L–1 acidifiée de quelques millilitres d’acide sulfurique concentré.

Données

 

Menthol

Menthone

Formule brute

C10H20O

C10H18O

Formule topologique

Masse molaire en g.mol–1

156

154

Température d’ébullition en °C

215

209

Température de fusion en °C

43

–6,5

 

a) La menthone est une cétone.

b) À température ambiante (20 °C), la menthone et le menthol ont le même état physique.

c) À l’état initial, le mélange est dans les proportions stœchiométriques.

d) En supposant la réaction totale, la masse de menthone obtenue est de 15,4 g.

Exercice 8

Certains pays autorisent l’utilisation de l’hydrate de chloral comme sédatif. Celui-ci est obtenu en réalisant l’hydratation en milieu acide du chloral selon la réaction bilan :


 

Donnée

L’électronégativité du chlore et de l’oxygène est supérieure à celle du carbone.

a) Cette réaction est une réaction de substitution.

b) Dans le spectre RMN de l’hydrate de chloral, on observerait 3 signaux.

Le mécanisme de la réaction correspondant à l’hydratation du chloral est le suivant :


 

c) Les atomes de carbone, désignés par les flèches en pointillés, sont des sites accepteurs d’électron.

d) Les ions hydrogène provenant de l’acide jouent le rôle de catalyseur.

Exercice 9

Le pH d’une solution d’acide salicylique, de concentration molaire c= 2,6 × 10–3 mol∙L–1, est égal à 3. Le volume de la solution est V= 50,0 mL.

Donnée

Constante d’acidité du couple (acide salicylique/ion salicylate) : pKa= 10–3.

a) La solution est acide.

b) La réaction est totale.

c) Dans la solution, l’espèce majoritaire est l’acide salicytique.

d) L’avancement à l’équilibre est xeq= 10–3 mol.

Exercice 10

Un technicien prépare deux solutions, l’une d’acide salicylique et l’autre d’acide benzoïque. La concentration molaire des deux solutions est égale à 0,010 mol·L–1.


 

 

a) Le pH de la solution d’acide salicylique est égal à 2,0.

b) L’acide benzoïque et l’acide salicylique sont des isomères.

c) Le pH de la solution d’acide benzoïque est supérieur à celui de la solution d’acide salicylique.

d) À pH = 4,2, la concentration molaire de l’acide benzoïque est égale à celle de sa base conjuguée.

Exercice 12

Le synthol®, créé en 1925 par M. Roger, est une solution alcoolisée utilisée en application locale pour calmer les douleurs, décongestionner et désinfecter.

On peut lire sur la notice (cadre ci-après), la composition du médicament.

 

Pour 100 g de solution en substance active est :

Levomenthol0,2600 g

Vératrole0,2600 g

Résorcinol0,0210 g

Acide salicylique0,0105 g

Les autres composants sont l’huile essentielle de géranium, l’huile essentielle de cédrat, le jaune de quinoléine (E104).

Toutes les espèces chimiques présentes dans le Synthol® sont solubilisées dans un solvant à base d’éthanol à 96 % et d’eau purifiée (titre alcoolique 34,5 % en volume).

 

On souhaite vérifier la concentration molaire en acide salicylique (C7H6O3). Pour cela, on effectue un titrage conductimétrique. Le volume du Synthol® dosé est VA= 100,0 mL et la solution titrante est une solution de soude (Na+(aq) + HO(aq)).

L’équation associée à la réaction du titrage est :

.

La courbe de titrage est représentée ci-dessous.


 

a) Pour trouver le volume équivalent, on utilise la méthode des tangentes.

b) À l’équivalence, la concentration molaire des ions sodium Na+ est égale à celle des ions hydroxyde HO.

c) Au-delà de 7,0 mL de soude ajoutée, il n’y a plus d’acide salicylique dans la solution.

d) À 4,0 mL de soude ajoutée, la conductivité mesurée σ est égale à 4,0 mS∙m–1.

Exercice 13

La 4-nitroaniline (4b) est utilisée comme précurseur de la p-phényldiamine qui est utilisée comme colorant. Les étapes d’une synthèse de la 4-nitroaniline (4b) à partir de l’aniline sont indiquées ci-dessous.

Après cette synthèse, la séparation doit être réalisée afin d’isoler la 2-nitroaniline (4a), qui est également formée en petite quantité au cours de cette synthèse.


 

a) La première étape permet de protéger la fonction amine.

b) La première étape conduit à la formation d’un ester.

c) La deuxième étape, mettant en œuvre l’acide nitrique (HNO3), donne lieu à des réactions d’addition.

d) La synthèse conduit à la formation de deux stéréoisomères.

Exercice 14

Le jaune d’alizarine est un indicateur coloré. La forme acide a une teinte jaune et la forme basique une teinte rouge. La formule topologique de la forme prépondérante à pH = 13 est représentée ci-dessous.


 

Donnée

pKa (forme acide du jaune d’alizarine/forme basique) = 11.

a) La molécule représentée ci-dessus correspond à la forme acide de l’indicateur coloré.

b) La molécule de jaune d’alizarine possède six atomes de carbone asymétriques.

c) À pH = 13, la concentration de la forme basique de l’indicateur coloré est 100 fois supérieure à celle de la forme acide.

La dernière étape de la synthèse du jaune d’alizarine est la réaction suivante :


 

d) Il s’agit d’une réaction de substitution.

Exercice 16

Pour étudier la sélectivité d’un catalyseur, on s’intéresse aux deux réactions suivantes.

  • Le passage de vapeurs d’éthanol (C2H5OH) sur du cuivre (Cu(s)) chauffé à 280 °C, sous une pression de 1 bar, conduit à la formation d’éthanal (CH3CHO) et de dihydrogène (H2).
  • Le passage de vapeurs d’éthanol (C2H5OH) sur de l’alumine (Al2O3(s)) chauffée à 400 °C, sous une pression de 1 bar, conduit à la formation d’éthylène (C2H4) et d’eau (H2O).

Donnée

Température d’ébullition de l’éthanol sous 1 bar : θéb= 78 °C.

a) Dans les deux réactions, il s’agit de catalyse homogène.

b) Les deux catalyseurs sont sélectifs.

c) L’éthanal est un aldéhyde.

d) La déshydrogénation de 0,92 g d’éthanol en présence de cuivre conduit à la formation de 20 mmol de gaz dihydrogène.

Corrigé

Exercice 2

 

Attention

Si vous répondez correctement aux 4 questions d’un exercice, vous obtenez 5 points grâce au point bonus ! Si vous avez 3 bonnes réponses et une non-réponse, vous obtenez 3 points, mais si vous faites une erreur, vous n’avez que 2 points.

a)Faux. Si A était un alcool, il y aurait un signal singulet pour l’hydrogène du groupe hydroxyle et forcément d’autres signaux pour les atomes d’hydrogène restants qui ne peuvent pas être équivalents au premier. Or le spectre ne comporte qu’un signal.

b)Vrai. Trois signaux impliquent trois groupes de protons équivalents.

c)Vrai. Règle de multiplicité d’un signal : un singulet provient forcément d’un atome d’hydrogène n’ayant aucun voisin.

d)Faux. La propanone est CH3-CO-CH3 donc tous ses atomes d’hydrogène sont équivalents : il y aurait eu un unique signal sur le spectre RMN et non trois.

Exercice 3

a)Vrai. On remarque sur le graphique que la quantité de CO2 formée en fin de réaction est 2 mmol. Or le tartre est le réactif limitant donc étant donné les nombres stœchiométriques de l’équation, il a été consommé exactement 2 mmol de tartre.

Donc mi(tartre) =ni(tartre) × M= 200 mg.

 

Attention

Le temps de demi-réaction n’est pas la moitié du temps de réaction mais la durée au bout de laquelle l’avancement atteint la moitié de sa valeur finale.

b)Vrai. 6 minutes = 360 secondes. C’est bien vers 360 s que la quantité de CO2 formée semble atteinte. La réaction est alors terminée.

c)Faux. Ici on prend la durée à laquelle on atteint 1 mmol : environ 20 s.

d)Vrai. La concentration d’un réactif est un facteur cinétique donc son augmentation entraine une réaction plus rapide donc un temps plus court.

Exercice 4

a)Vrai. Le groupe amide du paracétamol est entouré ci-dessous :


 
 

Attention

L’unité est en cm–1.

b)Faux.

.

c)Vrai. On peut lire l’absorbance de la solution à 250 nm sur le graphique : A = 1. La Loi de Beer Lambert est A = εℓC donc :

= 2,0 × 105 L·mol–1·m–1 ε = 2,0 × 103 L∙mol–1.cm–1.

d)Vrai. La synthèse est réussie car il y a le pic d’absorption d correspondant à la liaison carbonyle qui est synthétisée lors de la formation du paracétamol.

Exercice 5

 

Info

Un carbone asymétrique est un atome de carbone lié à quatre groupes différents.

a)Faux. Il n’y a pas de groupe amide mais un groupe amine (dénomination IUPAC préfixé amino-).

b)Vrai.

 

Attention

Pour la masse molaire à partir de la formule topologique, il ne faut pas oublier de compter les atomes d’hydrogène non représentés.

c)Vrai. Le seul carbone asymétrique est celui lié au groupe amine, au groupe CH3, au groupe COOH ainsi qu’à un atome d’hydrogène.

d)Vrai.M(alanine) =M(C3O2NH7) = 89 mol∙L–1.

Exercice 7

a)Vrai. Le groupe caractéristique d’une cétone est le groupe carbonyle C‗O lorsqu’il n’est pas lié à un carbone terminal. La menthone se termine par le suffixe –one donc indique certainement le groupe des cétones mais il ne s’agit pas d’un nom officiel IUPAC donc on ne peut pas s’y fier.

b)Faux. Les températures de fusion et d’ébullition des deux espèces permettent de déterminer l’état physique de chacune. À 20 °C, la menthone est liquide car c’est au-dessus de sa température de fusion (transition solide-liquide) et en dessous de sa température d’ébullition (transition liquide-gaz) alors que le menthol est solide puisque sa température de fusion est supérieure à 20 °C (43 °C).

c)Faux. Les proportions stœchiométriques sont celles de l’équation de réaction c’est-à-dire 2 moles de permanganate pour 5 moles de menthol.

On calcule les quantités de chacune de ces espèces :

n(MnO4) =cV = 0,8 × 0,1 = 8,0 × 10–2 mol.

On n’a donc pas la condition stœchiométrique .

d)Vrai. D’après les nombres stœchiométriques, si la réaction est totale on obtiendra autant de menthone que la quantité de menthol consommée. Or donc le menthol est le réactif limitant et donc on formera 0,10 mol de menthone, c’est-à-dire : m=n × M = 15,4 g.

Exercice 8

a)Faux. Il s’agit d’une addition (perte d’une liaison double).

b)Faux. Il y a trois atomes d’hydrogène mais les deux atomes liés aux atomes d’oxygène sont équivalents donc il n’y aura que deux signaux dans le spectre RMN.

c)Vrai. Les deux sites sont des atomes de carbone liés à un ou plusieurs atomes plus électronégatifs qu’eux (chlore et oxygène) donc la liaison est déséquilibrée à leur désavantage en termes de répartition électronique.

d)Vrai. H+ est consommé lors de la première étape et régénéré lors de la dernière.

Exercice 9

a)Vrai. Le pH est bien compris entre 0 et 7.

b)Faux. Un pH égal à 3 correspond à une réaction totale (donc acide fort) si l’acide a une concentration égale à 10–3 mol·L–1 or sa concentration est 2,6 × 10–3 mol·L–1. Autre justification : le pKa donné implique qu’il s’agit d’un acide faible donc que sa réaction avec l’eau n’est pas totale.

c)Faux. Le pKa du couple est égal au pH donc la concentration de la forme acide est égale à celle de la forme basique.

d)Faux. L’avancement de la réaction de AH avec l’eau correspond exactement à la quantité d’ions H3O+(aq).

Or n(H3O+(aq)) =cV = 2,6 × 10–3 × 0,05 ≠ 10–pH.

Exercice 10

 

Gagnez des points

est une formule essentielle dans les QCM Puissance 11.

a)Faux. La concentration en acide apporté de la solution étant 10–2 mol∙L–1, le pH serait égal à 2 si l’acide salicylique était un acide fort. Mais il est faible (car pKa= 3).

b)Faux. Leur formule brute est différente donc ils ne sont pas isomères.

c)Vrai. À concentration identique, plus un acide est fort, plus le pH de sa solution est faible. Or l’acide salicylique est plus fort que l’acide benzoïque (pKa plus petit), donc le pH de la solution d’acide benzoïque est bien supérieur à celui de l’acide salicylique.

d)Vrai. Pour pH = pKa, la concentration de la forme basique est égale à la concentration de la forme acide : pH = pKa+ log .

Exercice 12

a)Faux. La méthode des tangentes se fait sur la courbe du pH en fonction du volume ajouté et non pas la conductivité en fonction du volume ajouté.

b)Faux. Les ions Na+ sont des ions spectateurs donc leur concentration à l’équivalence est différente de celle des ions HO qui sont des réactifs et comme ils sont introduits dans les mêmes quantités, il reste moins d’ions hydroxyde que d’ions sodium.

c)Vrai. À l’équivalence, l’espèce titrée est entièrement consommée or ici c’est l’acide salicylique qui est titré. Or 7 mL correspond bien au volume équivalent.

d)Vrai. À 4,0 mL, on peut lire la conductivité :

40 µS/cm = 40 × 10–6 S/10–2 m = 4,0 × 10–3 S/m = 4,0 mS/m.

Exercice 13

a)Vrai. Cette étape fait réagir, et disparaître, la fonction amine mais cette fonction est régénérée lors de la troisième étape. On a donc protégé l’amine pour ensuite la déprotéger.

b)Faux. Il s’agit d’une amide et non pas d’un ester.

c)Faux. La deuxième étape est une substitution puisqu’un atome d’hydrogène est remplacé par un groupe NO2.

d)Faux. Les stéréoisomères sont des isomères spatiaux donc identiques sur une représentation « à plat » en deux dimensions comme la formule topologique. Or les deux molécules proposées sont différentes en formule topologique : il s’agit d’isomères de position.

Exercice 14

a)Faux. La forme prépondérante à pH = 13 est la forme basique car le pKa est égal à 11 et donc le diagramme de prépondérance est :


 

b)Faux. Il n’y a aucun carbone asymétrique dans cette molécule.

 

Gagnez des points

Dès qu’un carbone est lié par une liaison double, il ne peut pas être asymétrique.

c)Vrai. D’après la relation pH = pKa+ log lorsque pH = pKa les concentrations sont égales ; si pH = pKa+ 1 il y a 10 fois plus de forme basique que de forme acide ; si pH = pKa+ 2 il y en a 100 fois plus, etc.

d)Faux. Il s’agit d’une réaction d’addition car il y a disparition de la triple liaison en faveur d’une double.

Exercice 16

a)Faux. La catalyse homogène nécessite un catalyseur dans la même phase que les réactifs, or ici le catalyseur est solide et les réactifs sont en solution aqueuse. La catalyse est hétérogène.

b)Vrai. La réaction dépend du catalyseur donc on peut parler d’une sélectivité.

c)Vrai. Le suffixe est –al, il s’agit donc bien d’un aldéhyde.

d)Vrai. L’équation de la réaction est :

donc pour une mole d’éthanol consommée, une mole d’éthanal est formée. La quantité d’éthanal formée est égale à la quantité d’éthanol consommée.

De plus néthanol== 20 mmol.