Concours Puissance 11 chimie mai 2015

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Annales corrigées
Classe(s) : Tle S | Thème(s) : Concours Puissance 11
Type : Exercice | Année : 2015 | Académie : Inédit
Corpus Corpus 1
Concours Puissance 11 chimie

Concours Puissance 11 • Chimie

pchT_1505_00_00C

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Banque d’épreuves FESIC • Mai 2015

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 très précis.

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

Masses molaires atomiques en g · mol–1

 

H

C

N

O

Zn

1,0

12,0

14,0

16,0

65,4

 

Exercice 1

L’acide lactique est un acide organique qui joue un rôle dans divers processus biochimiques, en particulier dans les muscles, lors d’un effort. L’acide lactique s’accumule dans la cellule, puis passe la membrane cellulaire pour se retrouver dans la circulation sanguine. Le foie recycle l’acide lactique par un processus d’oxydation, qui donne lieu selon une transformation totale à la formation d’acide pyruvique.

On étudie l’évolution au cours du temps d’un mélange de 20 mmol d’acide lactique et d’une solution de permanganate de potassium acidifié, les ions permanganate étant en excès.

L’évolution de la quantité de matière d’acide pyruvique formé en fonction du temps est représentée ci-dessous.


 

Données


 

 

a) Le nom systématique de l’acide pyruvique est :

acide 2-hydroxybutanoïque.

b) Il existe deux énantiomères de l’acide lactique.

c) La masse molaire de l’acide pyruvique est égale à M= 92 g · mol–1.

d) Le temps de demi-réaction est égal à t½= 35 minutes.

Exercice 3

On fait réagir une solution d’iodure de méthyle (CH3I) avec une solution d’hydroxyde de sodium (Na+(aq) + HO(aq)) en excès. La concentration molaire initiale de l’iodure de méthyle dans ce mélange est notée C0. Il se forme alors du méthanol (CH3OH) de concentration C′ et des ions iodure (I).

L’équation modélisant la réaction s’écrit :

L’évolution de la concentration de la solution d’iodure de méthyle peut se mettre sous la forme :

les valeurs de a et b sont constantes.

a) À t= 0 s, la valeur de a est égale à C0.

b) À la fin de la réaction il ne reste plus d’iodure de méthyle dans le milieu réactionnel.

c) Le temps de demi-réaction est égal à t½=b.

d) La concentration C′ du méthanol peut s’écrire sous la forme :

.

Exercice 5

La Bétadine® est un antiseptique local à base de diiode utilisé afin de lutter contre la multiplication des bactéries.

 

Bétadine.

Antiseptique local

Principe actif : diiode.

Bétadine 10 %

Polyvidone iodée : 9,5 g pour 100 mL.

 

 

La polyvidone iodée est un complexe formé par l’association d’une molécule de polyvidone et d’une molécule de diiode (I2).

On souhaite vérifier l’indication concernant la polyvidone iodée figurant sur l’étiquette de cet antiseptique. Pour cela on dilue dix fois la solution commerciale de bétadine. On prélève 10 mL de la solution diluée que l’on titre avec une solution de thiosulfate de sodium de concentration C= 5,0 × 10–3 mol · L–1 en présence d’un indicateur coloré, le thiodène.

L’équation de la réaction de titrage est :

.

L’équivalence est obtenue pour 16,0 mL de thiosulfate de sodium versé.

Donnée

Masse molaire du polyvidone iodée : M= 2 363 g · mol–1.

a) Le prélèvement, pour effectuer la dilution, se fait avec une éprouvette graduée.

b) À l’équivalence la quantité de thiosulfate de sodium versée est double de celle du diiode initiale.

c) La concentration en diiode dans la solution commerciale de Bétadine est égale à 4,0 mmol · L–1.

d) L’information concernant le polyvidone iodée est exacte.

Exercice 6

Une solution aqueuse d’un acide faible, noté AH, est dosée par une solution d’hydroxyde de sodium (Na+(aq) + HO(aq)) de concentration massique en soluté apporté Cm= 8,00 g · L–1. L’évolution du pH en fonction du volume versé VB de cette solution est donnée ci-dessous.

L’équation associée à la transformation chimique est la suivante :

AH + HO → A+ H2O

Données

Masse molaire de l’hydroxyde de sodium : MNaOH= 40,0 g · mol–1.

 Document 1 Évolution du pH en fonction du volume VB introduit

 
 Document 2 Quelques indicateurs colorés
 

Couleur de la forme acide

Couleur de la forme basique

Zone de virage approximative

Vert de bromocrésol

jaune

bleu

3,8 – 5,4

Bleu de bromothymol

jaune

bleue

6,0 – 7,6

Phénophtaléine

incolore

rose

8,3 – 10,0

Jaune d’alizarine

jaune

rouge

10,1 – 12,0

Alizarine

rouge

violet

11,1 – 12,4

 

a) La concentration molaire apportée en ion hydroxyde HO est égale à 0,200 mol · L–1

b) Le volume à l’équivalence est de 14,5 mL.

c) L’indicateur coloré à utiliser est la phénolphtaléine.

d) À l’équivalence, une des espèces majoritaires est la base A.

Exercice 7

Les vinaigres sont des solutions aqueuses contenant de l’acide éthanoïque, de formule CH3COOH. Le degré ou le pourcentage indiqué sur les bouteilles de vinaigre correspond à la masse d’acide éthanoïque, exprimée en gramme, contenue dans 100 g de vinaigre.

On titre, par conductimétrie, un volume de 100 mL d’une solution contenant 5,0 g de vinaigre pur, par une solution d’hydroxyde de sodium (Na+(aq) + HO(aq)) de concentration :

C= 4,0 × 10–1 mol · L–1.

La réaction de titrage est la suivante :

CH3COOH(aq) + HO(aq) → CH3COO(aq) + H2O(l).

La courbe du titrage donnant l’évolution de la conductivité en fonction du volume d’hydroxyde de sodium introduit est représentée ci-dessous.


 

Donnée

Masse molaire de l’acide éthanoïque : M(CH3COOH) = 60 g · mol–1.

a) L’augmentation de la conductivité de la solution avant l’équivalence est principalement due à l’augmentation de la concentration en ions hydroxyde dans la solution.

b) La courbe de titrage montre que la conductivité molaire ionique des ions hydroxyde est supérieure à celle des ions éthanoate.

c) La quantité de matière d’acide éthanoïque dans la solution titrée est égale à 5,0 mmol.

d) Le degré du vinaigre titré est égal à 8,0.

Exercice 10

Le menthol est un composé organique obtenu soit par synthèse, soit par extraction à partir de l’huile essentielle de menthe poivrée ou d’autres huiles essentielles de menthe. Ces huiles essentielles contiennent également de la menthone, qui peut être synthétisée par oxydation du menthol.

On donne ci-dessous les représentations topologiques de l’un des 8 stéréoisomères du menthol et de l’un des quatre stéréoisomères de la menthone.


 

Données

Bandes d’absorption en spectroscopie IR


 

a) La molécule A est le menthol.

b) Les molécules A et B sont des stéréoisomères de conformation.

c) La molécule A comporte 3 carbones asymétriques.

Les deux spectres infrarouges ci-dessous sont pour l’un celui d’un des stéréoisomères du menthol, pour l’autre celui d’un des stéréoisomères de la menthone.


 

 

d) Le spectre 1 correspond à la molécule B.

Exercice 11


 

Figure 1. Formule de l’acide glycolique

L’acide glycolique est obtenu à partir d’extrait de canne à sucre, de betterave ou de raisin.

Grâce à son excellente capacité à pénétrer la peau, il est très utilisé dans les produits de soins. Il permet d’améliorer la texture et l’apparence de la peau. Il peut réduire les rides, l’acné ou l’hyperpigmentation.

Données

  • Spectre infrarouge

 
  • Bandes d’absorption en spectroscopie IR
 

Liaison

CC

COacide

COaldéhyde, cétone

CH

OH

Nombre d’onde (cm–1)

1 000-1 250

1 680-1 710

1 650-1 730

2 800-3 000

3 200-3 700

 

a) La figure 1 donne la représentation de Lewis de l’acide glycolique.

b) L’acide glycolique possède deux fonctions alcool.

c) Le spectre infrarouge est celui de l’acide glycolique.

d) La largeur de la bande de la liaison OH, pour l’acide glycolique liquide, est importante à cause de la présence de liaison hydrogène intermoléculaire.

Exercice 12


 

Figure 1

La nicotine (figure 1) (qui doit son nom au fait que le tabac a été introduit en France par Jean Nicot) est un alcaloïde présent dans les plantes de la famille des solanacées, notamment dans les feuilles de tabac.

La nicotine a été découverte en 1809 par Louis-Nicolas Vauquelin, professeur de chimie à l’École de médecine de Paris. La première synthèse a été réalisée en 1928.

D’autres synthèses ont été réalisées. Les premières étapes de l’une d’entre elles sont présentées ci-après.

Étape 1


 

Étape 2


 

Étape 3


 

Premières étapes de la synthèse de la nicotine

a) La formule brute de la nicotine est C10H14N2.

b) La molécule A est une cétone.

c) Le carbone du groupe carbonyle (CO) de la molécule B est un site donneur d’électrons.

d) L’étape 3 est une réaction acide/base.

Exercice 13

Lorsque les fruits mûrissent, leurs membranes cellulaires s’oxydent ; il en résulte la formation de deux molécules A et B représentées ci-dessous :


 

Au laboratoire, on réalise dans un ballon la synthèse du composé A en chauffant à reflux, pendant 30 minutes, 11 mL de 3-méthylbutan-1-ol, 30 mL d’acide éthanoïque pur et 1 mL d’acide sulfurique concentré en présence de quelques grains de pierre ponce. Après traitement du ballon, on récupère 13 mL de la molécule A. Cette réaction est appelée réaction d’estérification. L’équation associée à cette transformation s’écrit :

CH3COOH + (CH3)2CHCH2CH2OH
CH3COOCH2CH2CH(CH3)2+ H2O

Données

  • Densités par rapport à l’eau à 20 °C et masses molaires en g · mol–1 :
 

Molécule A

3-méthylbutan-1-ol

Acide éthanoïque

Densité

0,87

0,80

1,05

Masse molaire (g · mol–1)

130

88

60

 
  • Masse volumique de l’eau : ρeau= 1,0 g · mL–1.

a) A et B sont isomères.

b) A s’appelle le 3-méthylbutanoate d’éthyle.

c) Le rendement de la réaction est égal à 87 %.

d) Le composé B présente deux stéréoisomères B1 et B2 dessinés ci-dessous :


 

B1 et B2 sont des diastéréoisomères.

Exercice 14

Le méthacrylate de méthyle, noté MAM, est une espèce chimique utilisée pour produire un polymère thermoplastique transparent, le polyméthacrylate de méthyle, plus connu sous son nom commercial : le plexiglass. Un des procédés de fabrication appelé le misubishi gas chemicals ou MGC consiste en une synthèse dont l’équation est modélisée ci-dessous par :


 

Données

Formule topologique du MAM :

  • Masses molaires en g · mol–1 :

propanone : 58 ; cyanure d’hydrogène : 27 ; méthanoate de méthyle : 60 ; MAM : 100.

a) Le MAM ne possède pas de stéréoisomères de conformation.

b) Le MAM possède une isomérie Z/E.

c) La propanone donne deux signaux en spectroscopie RMN.

d) Le mélange de 580 kg de propanone, 270 kg de cyanure d’hydrogène et de 600 kg de méthanoate de méthyle permet de produire une tonne de MAM.

Exercice 15

Les gants en nitrile permettent de diminuer les risques d’allergies provoquées par les gants en latex.

Les nitriles, de formule générale CnH2n–1N, peuvent être obtenus par réaction entre un ion cyanure CN et un halogénoalcane.

Cette réaction peut être modélisée par l’équation suivante :

CN+ C3H7Br (molécule A) → C4H7N + Br (réaction n° 1)

Données

  • L’électronégativité du brome est supérieure à celle du carbone.
  • Doc. 1. Schéma de Lewis de l’ion cyanure : 
  • Doc. 2. Mécanisme de la réaction :

 

a) L’ion cyanure possède un site donneur et un site accepteur d’électron.

b) Le carbone lié au brome, dans l’halogénoalcane (molécule A), est un site accepteur d’électrons.

c) Une flèche courbe correspond au déplacement d’un doublet d’électron.

d) La réaction n° 1 est une réaction d’élimination.

Exercice 16

On envisage trois mécanismes réactionnels pour la réaction d’hydrolyse basique d’un ester. L’équation modélisant la transformation s’écrit :

RCOOR′ + HO → RCOO+ R′OH.

Mécanisme 1


 

Mécanisme 2


 

Mécanisme 3


 

a) Les ions hydroxyde HO sont des sites donneurs d’électrons.

b) Lors d’une hydrolyse basique, les ions hydroxyde jouent un rôle de catalyseur.

c) Dans la dernière étape du mécanisme 1, une flèche courbe (non représentée) devrait partir du doublet de l’oxygène de l’ion alcoolate vers le carbone du groupement carboxyle porté par l’acide éthanoïque.

d) Pour valider les hypothèses concernant les mécanismes, une technique consiste à remplacer, dans un des réactifs, un atome ou un groupe d’atomes par des isotopes de manière à pouvoir les utiliser comme « traceurs ». À la fin de la transformation, la position des traceurs dans une chaîne carbonée est repérée grâce à des techniques de spectroscopie comme, par exemple, la résonance magnétique nucléaire (RMN). On utilise souvent en chimie organique un isotope rare de l’oxygène, l’oxygène 18 (au lieu de l’isotope le plus abondant 16O).

Dans l’exemple de l’hydrolyse basique, on effectue la réaction avec l’ion hydroxyde HO, dans lequel l’oxygène est l’isotope 18O. On constate expérimentalement que cet oxygène « lourd » se retrouve uniquement dans l’anion éthanoate.

Seul le mécanisme 1 correspond aux constatations expérimentales concernant le traceur.

Corrigé
Corrigé

Exercice 1

a)Faux. Le préfixe « but » signifie 4 atomes de carbone dans la chaîne, or ici il n’y en a que 3.

b)Vrai. Il n’y a qu’un seul carbone asymétrique dans la molécule d’acide lactique donc deux énantiomères possibles.

c)Faux.M= 88 g · mol–1.

d)Faux. Attention ici le graphique ne montre pas la fin de la réaction puisque la quantité d’acide pyruvique est encore nettement croissante. Pour déterminer le temps de demi-réaction, il faut déterminer xmax à partir des quantités initiales des réactifs (xmax= 10 mmol) puis déterminer le temps pour lequel on atteint.

Exercice 3

a)Vrai. D’après la relation donnée, il suffit de mettre t= 0 dans la relation donnée :

d’où, pour t= 0 s, C=C0.

b)Vrai. L’hydroxyde est en excès et la réaction est totale (simple flèche).

c)Faux. Une analyse dimensionnelle prouve que b doit être l’inverse d’un temps donc ne peut pas être égal à un temps.

d)Faux. Car la limite, pour t qui tend vers l’infini, de cette expression est C0. En effet : .

Or la concentration du méthanol ne peut pas être égale à la concentration initiale de celle de l’iodure de méthyle puisque le volume du milieu réactionnel est supérieur au volume de l’iodure de méthyle (à cause de la solution de soude). Par contre, la quantité de méthanol finale est bien égale à la quantité initiale d’iodure de méthyle.

Exercice 5

a)Faux. Une dilution doit être précise donc nécessite une pipette jaugée.

b)Vrai. Il s’agit bien des conditions stœchiométriques.

Attention !

La solution de Bétadine a été diluée par 10 et donc la concentration initiale est

40 × 10–3 mol · L–1.

c)Faux. La quantité de diiode initiale est la moitié de celle des ions thiosulfate versée à l’équivalence, c’est-à-dire :

 mol

d’où une concentration de 4 × 10–3 mol · L–1.

d)Vrai. La concentration massique est 95 g/L donc on a bien 9,5 g pour 100 mL.

Exercice 6

a)Vrai. La concentration massique est :

Cm= mol · L–1.

b)Vrai. Déterminé grâce à la méthode des tangentes.

c)Faux. La zone de virage de la phénolphtaléïne est trop basse puisqu’elle n’est pas inclue dans le saut de pH du titrage.

d)Vrai. A est bien majoritaire à l’équivalence avec Na+ et H2O puisqu’il n’y a plus de AH ni de HO.

Exercice 7

a)Faux. La concentration en ions hydroxyde avant l’équivalence est pratiquement nulle puisque c’est le réactif en défaut.

b)Vrai. Après l’équivalence on ajoute des ions hydroxyde (en excès) et on ne forme plus d’ions éthanoate donc l’augmentation de la pente de la courbe est effectivement due à la meilleure conduction du courant des ions hydroxyde.

c)Vrai. Le volume équivalent est de 12,5 ml d’où une quantité d’ions hydroxyde :

CVe= 0,4 × 12,5 × 10–3= 5 mmol.

C’est bien égal à la quantité de l’acide éthanoïque titré.

d)Faux. La solution titré ne contenait que 5 g de vinaigre pur et avait une concentration massique de 0,3 g/L (Cmolaire × M). Or pour la définition du degré, il faut 20 fois plus.

Exercice 10

a)Faux. D’après leur nom, menthone et menthol possèdent respectivement un groupe carboxyle et un groupe hydroxyle. A est donc la menthone et non le menthol.

b)Faux. Les isomères de conformation diffèrent entre eux par simple rotation d’une liaison chimique. Ici A et B ont des groupes fonctionnels différents.

c)Faux. Il n’y en a que deux.

d)Vrai. La bande large vers 3 300 cm–1 est caractéristique d’un hydroxyle (en phase condensée).

Exercice 11

a)Faux. Dans la représentation de Lewis, on signale les doublets non liants.

b)Faux. Une seule fonction alcool. L’autre groupe OH fait partie de la fonction acide carboxylique.

c)Faux. Il manque la bande d’absorption caractéristique de la liaison COacide vers 1 700 cm–1.

d)Vrai.

Exercice 12

a)Vrai.

b)Faux. L’atome d’azote lié au carbone qui porte la double liaison CO en fait un amide.

c)Faux. Cet atome de carbone est déficitaire en électrons, puisqu’il est lié à un atome d’oxygène plus électronégatif que lui donc il est accepteur et non donneur d’électrons.

d)Vrai. Il s’agit bien d’un transfert d’ion H+.

Exercice 13

a)Vrai. Même formule brute mais formules développées différentes.

b)Faux. Il s’agit de l’éthanoate de 3-méthylbutyle. Pour information, le B est 2-méthylbutanoate d’éthyle.

c)Vrai. Le rendement est calculé en faisant le rapport de la quantité obtenue par la quantité maximale possible. Or la quantité obtenue est :

nobtenue==.

Et la quantité maximale théorique est de 0,1 mol (car c’est l’alcool qui est le réactif en défaut). D’où :

R

d)Faux. Ce sont des énantiomères (image l’un de l’autre dans un miroir).

Exercice 14

a)Faux. Pour les conformères (stéréoisomères de conformation), il suffit de faire pivoter une liaison covalente simple sur elle-même. Donc, c’est possible ici.

b)Faux. L’isomérie Z/E vient de la répartition autour d’une liaison double CC. Ici il n’y en a qu’une, or l’un de ces carbones possède deux groupes H identiques donc pas d’isomérie Z/E.

c)Faux. Un seul signal car tous ses atomes d’hydrogène sont équivalents.

d)Vrai. Si on fabrique 1 tonne de MAM, cela correspond à une quantité de n=. On peut alors calculer les quantités initiales des réactifs nécessaires à ces moles de MAM à l’aide de la relation m=n × M.

Exercice 15

a)Faux. L’ion cyanure possède deux sites donneurs car les atomes de carbone et d’azote ont un doublet non liant.

b)Vrai. Étant donné que le carbone est moins électronégatif que le brome, il est donc déficitaire en électrons d’où accepteur d’électrons.

c)Vrai.

d)Faux. Ici c’est une substitution. L’atome de brome est substitué par le groupe CN.

Exercice 16

a)Vrai. L’atome d’oxygène est riche de trois doublets non liants ce qui en fait un fort donneur d’électrons.

b)Faux. Les ions hydroxyde sont consommés lors de cette réaction donc ce n’est pas un catalyseur.

c)Faux. Cette flèche courbe pointe vers l’hydrogène et non vers le carbone du groupe carboxyle.

d)Faux. Le mécanisme 2 peut aussi correspondre.