Remerciez-le!

Remerciez @Admin pour avoir partagé cet document gratuitement, de la manière la plus simple, en partageant sur les réseaux sociaux.

ROYAUME DU MAROC المملكة المغربية Ministère de l'Enseignement Supérieur, de la

ROYAUME DU MAROC المملكة المغربية Ministère de l'Enseignement Supérieur, de la Formation des Cadres et de la Recherche Scientifique Présidence du Concours National Commun 2015 École Nationale Supérieure d’Électricité et de Mécanique CONCOURS NATIONAL COMMUN d'Admission dans les Établissements de Formation d'Ingénieurs et Établissements Assimilés Édition 2015 ÉPREUVE DE CHIMIE Filière MP Durée 2 heures Cette épreuve comporte 5 pages au format A4, en plus de cette page de garde L'usage de la calculatrice est autorisé Page de garde Concours National Commun – Session 2015 – Filière MP Épreuve de chimie 1/5  On veillera à une présentation et une rédaction claires et soignées des copies. Il convient en particulier de rappeler avec précision les références des questions abordées.  Si, au cours de l’épreuve, un candidat repère ce qui lui semble être une erreur d’énoncé, il le signale sur sa copie et poursuit sa composition en indiquant clairement les raisons des initiatives qu’il est amené à prendre.  Toutes les réponses devront être très soigneusement justifiées.  Si un résultat donné par l’énoncé est non démontré, il peut néanmoins être admis pour les questions suivantes. Ainsi, les diverses parties du problème sont relativement indépendantes entre elles. Le dihydrogène : un combustible d’avenir Données :  Masse molaire atomique de l’hydrogène : ܯሺܪሻ = ͳ,ͲͲͺ �. ݉݋݈−ଵ.  Masse molaire atomique du zirconium : ܯሺܼݎሻ = ͻͳ,ʹʹ �. ݉݋݈−ଵ.  Constante de Nernst à ʹͷ°� : �� lnሺͳͲሻ= Ͳ,Ͳͷͻ ܸ.  ܶሺܭሻ = ݐሺ°�ሻ + ʹ͹͵.  lܨ= ͻ͸ͷͲͲ �. ݉݋݈−ଵ.  Les gaz seront considérés parfaits et les solutions aqueuses diluées.  Le constituant � en solution aqueuse est noté �ሺ�௤ሻ , � en phase solide est noté �ሺ௦ሻ, � en phase gazeuse est noté �ሺ௚ሻ et � en phase liquide est noté �ሺ�ሻ.  Nombre d’Avogadro : ܰ �= ͸,Ͳʹ. ͳͲଶଷ ݉݋݈−ଵ.  Pression de référence : ܲ଴= ͳ ܾܽݎ= ͳͲହ ܲܽ.  ܴ= ͺ,͵ͳͶ ܬ. ܭ−ଵ. ݉݋݈−ଵ.  Potentiels standards à ʹͷ°� : Couple ܱଶሺ௚ሻ / ܪଶܱሺ�ሻ ܪ�௤ + / ܪଶሺ௚ሻ Potentiel standard ܧଵ ° = ͳ,ʹ͵ ܸ ܧଶ ° = Ͳ,ͲͲ ܸ L’énergie, comme l’eau, est une ressource qui se raréfie et devient un nouvel enjeu mondial de taille. Un développement durable impose le recours vers de nouvelles formes d’énergie amies de l’environnement. Le dihydrogène est une matière première importante de l’industrie chimique, de l’industrie métallurgique et de la pétrochimie. Il est aussi utilisé dans les domaines de l’électronique et du traitement des produits alimentaires. La production de dihydrogène en vue d’une utilisation énergétique semble avoir de l’avenir, que ce soit avec les piles à combustibles ou les moteurs à combustion interne. D’autre part, face aux préoccupations Concours National Commun – Session 2015 – Filière MP Épreuve de chimie 2/5 environnementales croissantes et contrairement à d’autres sources d’énergie, le dihydrogène a l’avantage d’être une énergie « propre ». Ce problème propose l’étude de quelques propriétés chimiques de l’hydrogène, la production du dihydrogène, son stockage et son application en production d’énergie. Il est composé de parties totalement indépendantes, à l’intérieur desquelles de nombreuses questions peuvent être traitées indépendamment les unes des autres. 1. Atomistique L’hydrogène est l’élément chimique le plus abondant dans l’Univers. L’élément hydrogène naturel a deux isotopes : l’hydrogène ܪ ଵ ଵ majoritaire et le deutérium ܪ ଵ ଶ. 1.1. Donner la définition du terme isotope. 1.2. Que signifient l’indice 1 et l’exposant 2 relatifs à l’isotope ܪ ଵ ଶ ? 1.3. Représenter, en le justifiant, l’échelle des nombres d’oxydation avec les valeurs adoptées par l’hydrogène et donner pour chaque valeur un exemple de composés d’application. 1.4. Le spectre de masse du dihydrogène ionisé donne trois pics pour des masses (2,016 ; 3,022 ; 4,028). Les intensités de chacun de ces pics sont (0,99968 ; 0,000312, �). 1.4.1. Attribuer chaque pic à une molécule de dihydrogène que vous expliciterez. 1.4.2. Quelles sont les abondances relatives des isotopes de l’hydrogène ? 1.4.3. Déterminer la valeur de �, fraction molaire de la molécule de dihydrogène correspondant au troisième pic. 1.5. Justifier l’existence de la molécule de ܪଶ et la non-existence de la molécule de ܪ�ଶ. 2. Production du dihydrogène par reformage du gaz naturel Le dihydrogène peut être produit par différents procédés. L’objet de cette partie est d’en étudier la production par reformage catalytique du gaz naturel. Le reformage du gaz naturel par de la vapeur d’eau surchauffée (procédé appelé vaporeformage) sur catalyseur au nickel est la réaction la plus appropriée à la production de dihydrogène : �ܪସሺ௚ሻ+ ܪଶܱሺ௚ሻ⇌�ܱሺ௚ሻ+ ͵ܪଶሺ௚ሻ (1) Cet équilibre de reformage du méthane ne se fait pas seul mais s’accompagne toujours de la réaction de conversion du monoxyde du carbone d’équation-bilan : �ܱሺ௚ሻ+ ܪଶܱሺ௚ሻ⇌�ܱଶሺ௚ሻ+ ܪଶሺ௚ሻ (2) Concours National Commun – Session 2015 – Filière MP Épreuve de chimie 3/5 Les enthalpies standard respectives de ces deux réactions sont, à la température ܶ= ͹͸Ͳ°� : Δ௥ܪଵ ଴ሺ͹͸Ͳ°�ሻ= ʹͶͻ ݇ܬ. ݉݋݈−ଵ et Δ௥ܪଶ ଴ሺ͹͸Ͳ°�ሻ= −͵ʹ ݇ܬ. ݉݋݈−ଵ. 2.1. Citer une utilisation du dihydrogène dans l’industrie des engrais. 2.2. Les réactions de reformage du gaz naturel sont conduites en présence d’un catalyseur solide à base d’oxyde de nickel NiO. 2.2.1. Que se passerait-il si l’on n’utilise pas le catalyseur au nickel ? Définir alors un catalyseur. 2.2.2. De quel type de catalyse s’agit-il ? Sous quelle forme doit être introduit le catalyseur pour une efficacité maximale ? 2.2.3. Le rendement thermodynamique est-il modifié par la présence du catalyseur ? 2.3. Quelle est qualitativement l’influence d’une hausse de température à pression constante et en système fermé pour l’équilibre (1) seul ? pour l’équilibre (2) seul ? 2.4. Quelle est qualitativement l’influence d’une hausse de température à pression constante et en système fermé pour l’équilibre (1) seul ? pour l’équilibre (2) seul ? 2.5. Justifier l’intérêt de travailler en excès de vapeur d’eau. 2.6. La réaction de reformage se déroule à la température ܶ= ͹͸Ͳ°� sous la pression ܲ= ͵͵ ܾܽݎݏ, avec une charge initiale de gaz naturel dans un rapport molaire ܪଶܱ/ �ܪସ= ͵. Dans la suite de cette partie, on considère la réaction d’équation bilan : �ܪସሺ௚ሻ+ ʹܪଶܱሺ௚ሻ⇌�ܱଶሺ௚ሻ+ Ͷܪଶሺ௚ሻ (3) L’entropie standard de cette réaction, à la température ܶ= ͹͸Ͳ°�, est : Δ௥ܵଷ ଴ሺ͹͸Ͳ°�ሻ= ʹ͸ʹ ܬ. ܭ−ଵ. ݉݋݈−ଵ. 2.6.1. Calculer l’enthalpie libre standard de réaction Δ௥ܩଷ ଴ሺ͹͸Ͳ°�ሻ et la constante d’équilibre ܭଷ ଴ሺ͹͸Ͳ°�ሻ de l’équilibre (3) à la température ܶ= ͹͸Ͳ°�. 2.6.2. Exprimer la constante d’équilibre ܭଷ ଴ሺ͹͸Ͳ°�ሻ en fonction du taux � de dissociation du méthane dans ces conditions. 2.6.3. Calculer � sachant qu’à l’équilibre le pourcentage molaire de méthane dans le mélange gazeux sortant du four est d’environ 8%. 2.7. Proposer une autre voie de synthèse du dihydrogène. 2.8. L’énergie issue de dihydrogène produit par vaporeformage du méthane peut-elle être considérée comme une énergie propre ? 3. Stockage du dihydrogène Le stockage du dihydrogène est encore problématique. Parmi les solutions envisagées, il y a le stockage du dihydrogène sous forme atomique, au sein d’un matériau métallique. Concours National Commun – Session 2015 – Filière MP Épreuve de chimie 4/5 Le zirconium réagit avec l’hydrogène pour engendrer un hydrure métallique interstitiel non stœchiométrique de formule ܼݎܪ�. Dans cet hydrure, le métal occupe tous les nœuds du réseau cubique à faces centrées, l’hydrogène occupe les sites interstitiels du réseau cristallin métallique. 3.1. Représenter la maille élémentaire du zirconium. Combien y a-t-il d’atome de Zr par maille élémentaire ? 3.2. Combien de sites vacants (octaédriques (O) et tétraédriques (T)) trouve-t- on dans la maille élémentaire du zirconium ? 3.3. Calculer en fonction du rayon métallique ݎ les rayons ݎ� et ݎ� de la sphère maximale pouvant pénétrer, sans déformation, respectivement dans ces deux sites du réseau. Calculer numériquement ݎ� et ݎ�. On donne la valeur du rayon de l’atome métallique : ݎ= ͳ͸Ͳ ݌݉. 3.4. Le rayon attribué à l’atome d’hydrogène est ݎ′ = ͵͹ ݌݉. En déduire le type de sites compatibles avec l’encombrement. 3.5. En réalité, les atomes d’hydrogène se logent dans tous les sites de l’autre type. Dessiner la maille de l’hydrure métallique et donner la formule stœchiométrique de cet hydrure. A quelle structure connue vous fait penser cet hydrure métallique ? 3.6. L’aptitude au stockage du zirconium s’exprime par sa capacité volumique d’adsorption ��ሺܼݎሻ, définie comme le rapport de la masse de dihydrogène absorbée au volume unitaire de zirconium pur. 3.6.1. Exprimer ��ሺܼݎሻ en fonction du volume �� de la maille et de la quantité ݊� de dihydrogène absorbée. Calculer sa valeur numérique. 3.6.2. Calculer la masse minimale de zirconium solide nécessaire pour produire la même quantité de dihydrogène qu’un réservoir contenant ݉= ͹ͲͲ ݇� de gaz liquéfié. Conclure. 4. Energie libérée par la combustion du dihydrogène dans une pile à combustible Le dihydrogène semble être le carburant par excellence pour les véhicules du futur utilisant la pile à combustible, type hydrogène-oxygène. Grâce à la conquête spatiale, une âpre compétition technologique s’est engagée car cette pile permet une propulsion propre devançant de très loin les moteurs thermiques en rendement. La pile à combustible type hydrogène-oxygène, présente deux avantages : faire appel à des réactifs (dioxygène de l’air et dihydrogène) disponibles en grande quantité uploads/Finance/ cnc-mp-2015-chimie-epreuve-pdf.pdf