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Ministère de la Jeunesse, de l'Éducation nationale et de la Recherche Direction

Ministère de la Jeunesse, de l'Éducation nationale et de la Recherche Direction de l’Enseignement scolaire eduscol.education.fr/bac Baccalauréat des voies générale et technologique Epreuve de physique-chimie de série S Annales 0 : exemples d’exercices BO n° 27 du 4 juillet 2002 Chimie, enseignement obligatoire : Suivi conductimétrique d'une transformation chimique Attention : Les sujets proposés ne sont pas représentatifs de l'ensemble des possibilités offertes par les programmes et ne constituent donc pas une liste fermée de ces possibilités. Aussi doivent-ils être considérés comme des exemples et non comme des modèles. 27 août 2002 Enseignement obligatoire Suivi conductimétrique d’une transformation chimique - Bac S, physique-chimie - 1/5 SUIVI CONDUCTIMÉTRIQUE D’UNE TRANSFORMATION CHIMIQUE L’usage de la calculatrice est autorisé Le but de cet exercice est d’étudier la cinétique de l’hydrolyse basique d’un ester E par suivi conductimétrique. À cette fin, on mélange rapidement dans un bécher une quantité n1 = 1,0 × 10-2 mol de soude et une quantité n2 d’ester E en excès à 25°C. On note VT le volume total du mélange. DONNÉES : Conductivités molaires ioniques de quelques ions à 25°C : ion Na+ aq HO−aq CH3CO2 −aq conductivité molaire ionique λi en S. m². mol-1 5,01 × 10-2 1,99 × 10-2 4,09 × 10-3 On négligera la contribution des ions H3O+ à la conductivité de la solution en raison de leur faible concentration. On admettra que le volume VT est suffisant pour pouvoir considérer la conductivité molaire ionique comme constante. 1. La molécule d'ester : la formule semi-développée de l’ester E considéré est donnée ci-contre. 1. 1. Donner le nom de cet ester dans la nomenclature officielle. 1. 2. Sur la formule ci-contre, identifier le groupe caractéristique de cette espèce chimique. CH3 CH2 CH3 C O O 2. Écrire l’équation de la réaction associée à la transformation chimique suivie. 3. La conductance de la solution est mesurée au cours du temps. Les résultats sont rassemblés dans le tableau ci-dessous : t (s) 0 30 60 90 120 150 au bout d’ un temps très long G (mS) 46,2 18,6 12,4 12,3 11,5 10,8 10,7 Pourquoi la conductance mesurée diminue-t-elle au cours de la transformation chimique ? 4. Étude de la conductance G du mélange réactionnel On appelle constante de cellule k le rapport de la conductance G et de la conductivité de la solution σ. On peut donc écrire la relation : G = kσ. 4. 1. Donner l’expression de la conductance initiale G0 en fonction de k, n1, VT et des conductivités molaires ioniques λi. Trouver sa valeur dans le tableau. 4. 2. On note x l’avancement de la réaction à la date t. Donner l’expression de la conductance G à la date t en fonction de x. 4. 3. On rappelle que l’hydrolyse basique d’un ester peut être considérée comme une transformation chimique totale. En déduire l’expression de la conductance Gf au bout d’un temps très long. Trouver sa valeur dans le tableau. 4. 4. En utilisant les expressions de G0, G et Gf, établies plus haut, montrer que : o f o G G G G n x − − = 1 Enseignement obligatoire Suivi conductimétrique d’une transformation chimique - Bac S, physique-chimie - 2/5 5. Étude de la vitesse de réaction 5. 1. Calculer les valeurs de x aux dates indiquées dans le tableau. 5. 2. Tracer la courbe représentant les variations de l’avancement x en fonction du temps. 5. 3. A l’aide de la courbe tracée, décrire qualitativement la variation de la vitesse de réaction au cours du temps. 5. 4. Définir le temps de demi-réaction t1/2. 5. 5. Déterminer graphiquement t1/2. Enseignement obligatoire Suivi conductimétrique d’une transformation chimique - Bac S, physique-chimie - 3/5 ‌SUIVI CONDUCTIMÉTRIQUE D’UNE TRANSFORMATION CHIMIQUE Question Compétences exigibles 1. 1. Donner le nom de cet ester dans la nomenclature officielle. Savoir nommer les esters comportant cinq atomes de carbone au maximum. 1. 2. Sur la formule ci-contre, identifier le groupe caractéristique de cette espèce chimique. Savoir reconnaître dans la formule d’une espèce chimique organique les groupes caractéristiques : - OH, -CO2H, -CO2R, -CO-O-CO-. 2. Écrire l’équation de la réaction associée à la transformation chimique suivie. Savoir écrire l’équation de la réaction d’un anhydride d’acide sur un alcool et de l’hydrolyse basique d’un ester. 3. Pourquoi la conductance mesurée diminue-t-elle au cours de la transformation chimique ? Savoir interpréter l'équation de la réaction et savoir utiliser la relation liant la conductance G aux concentrations molaires effectives [Xi] des ions Xi en solution. 4. 1. Donner l’expression de la conductance initiale G0 en fonction de k, n1, VT et des conductivités molaires ioniques λi. Trouver sa valeur dans le tableau. Savoir utiliser la relation liant la conductance G aux concentrations molaires effectives [Xi] des ions Xi en solution 4. 2. Donner l’expression de la conductance G à la date t en fonction de x. Savoir utiliser la relation liant la conductance G aux concentrations molaires effectives [Xi] des ions Xi en solution. 4.3. En déduire l’expression de la conductance Gf au bout d’un temps très long. Trouver sa valeur dans le tableau. Savoir que l’avancement maximum est atteint et savoir utiliser la relation liant la conductance G aux concentrations molaires effectives [Xi] des ions Xi en solution. 4. 4. En utilisant les expressions de G0, G et Gf, établies plus haut, montrer que : o f o G G G G n x − − = 1 Savoir utiliser les fonctions du programme de mathématiques. 5. 1. Calculer les valeurs de x aux dates indiquées dans le tableau. Savoir exploiter un tableau de valeurs. 5. 2. Tracer la courbe représentant les variations de l’avancement x en fonction du temps. Savoir construire une courbe à partir d'un ensemble de mesures 5. 3. A l’aide de la courbe tracée, décrire qualitativement la variation de la vitesse de réaction au cours du temps. Savoir interpréter qualitativement la variation de la vitesse de réaction à l’aide d’une des courbes d’évolution tracées. 5. 4. Définir le temps de demi-réaction t1/2. Savoir connaître la définition du temps de demi- réaction t1/2. 5. 5. Déterminer graphiquement t1/2. Savoir déterminer le temps de demi-réaction à l’aide de données expérimentales ou en exploitant des résultats expérimentaux. Enseignement obligatoire Suivi conductimétrique d’une transformation chimique - Bac S, physique-chimie - 4/5 SUIVI CONDUCTIMÉTRIQUE D’UNE TRANSFORMATION CHIMIQUE question n° Réponse Points Commentaires 1. 1. éthanoate d’éthyle 0,25 1. 2. CH C O O CH CH 3 2 3 0,25 2. CH3CO2C2H5 + HO- = CH3CO2 - + C2H5OH 0,25 3. Du point de vue de la conductivité, tout se passe comme si les ions hydroxyde étaient remplacés par les ions éthanoate. Or les ions éthanoate ont une conductivité bien plus faible que les ions hydroxyde. La conductance de la solution diminue donc. 0,25 4. 1. ) ( 1 0 + −+ = Na OH T V n k G λ λ G0 = 46,2 mS 0,25 0,25 4. 2. ) ) ( ( 2 3 1 1 − − + + − + = CO CH OH Na T x x n n V k G λ λ λ 0,5 L’utilisation d’un tableau d’avancement est possible mais ne peut pas être exigé. 4. 3. D’après le texte, on sait que le réactif limitant est l’ion hydroxyde et donc qu’il a été entièrement consommé. Il s’est donc formé n1 ions éthanoate. ) ( 2 3 1 + −+ = Na CO CH T f V n k G λ λ Gf = 10,7 mS 0,25 0,25 0,25 4. 4. ) ( x V k ) ( n V k G OH 2 CO 3 CH T OH Na 1 T − − − + − + + = λ λ λ λ )) ( ) (( x V k G G OH Na Na 2 CO 3 CH T 0 − + + − + − + + = λ λ λ λ 1 0 1 0 n x G n x G G G f − + = ) G G ( n x G G 0 f 1 0 − = − o f o G G G G n x 1 − − = 0,5 Les points sont attribués pour l’ensemble du calcul. 5. 1. t en s x en mmol 0 0,00 30 7,78 60 9,52 90 9,55 120 9,77 150 9,97 0,5 Enseignement obligatoire Suivi conductimétrique d’une transformation chimique - Bac S, physique-chimie - 5/5 5. 2. Évolution de l’avancement de la réaction en fonction du temps 0 2 4 6 8 10 0 30 60 90 120 150 x en mmol t en s 0,5 5. 3. La vitesse de réaction suit les variations de la pente de la tangente à la courbe : elle diminue au cours du temps jusqu’à s’annuler lorsque l’avancement maximal est atteint. 0,25 5. 4. Le temps de demi-réaction est le temps nécessaire pour que l’avancement soit parvenu à la moitié de sa valeur finale. Dans une réaction totale, l’avancement final est l’avancement maximal donc ici le temps de demi- réaction est le uploads/Finance/ cinetique-111817-exercice-important.pdf